Joint constraints on cosmic birefringence and early dark energy from ACT, Planck, DESI, and PantheonPlus

宇宙を、巨大で古（いにしえ）の灯台として想像してみてください。何十億年もの間、それは私たちに向かって光を放ち続け、その光の偏光の中に書かれた秘密のメッセージを運んできました。通常、この光は、ロープを上下に振る時のように、特定の予測可能なパターンで振動しています。しかし、もしその長い旅路の途中で、目に見えない何かがそのロープをねじ曲げていたとしたらどうでしょう？ 光は、まるで灯台が横倒しになったかのように、回転した状態で私たちの望遠鏡に届くことになります。この不思議な「ねじれ」は「宇宙バイリフラジェンス（宇宙の複屈折）」と呼ばれ、左右の対称性を破る物理学——本質的に、宇宙が「左」と「右」を差別していることを示す——の決定的な証拠となります。

同時に、天文学者たちは、宇宙がいかに速く膨張しているかを巡って激しい論争に陥っています。宇宙の赤ん坊の姿（宇宙マイクロ波背景放射）を見ているグループは、膨張速度が遅いと計算しています。一方で、近くで爆発する星までの距離を測定している別のグループは、宇宙がもっとずっと速く加速していると主張しています。この「ハッブル・テンション（ハッブル論争）」は、同じ車を見ている二人の整備士が、その速度について意見を違えているようなものです。一人は時速50マイルと言い、もう一人は時速70マイルと言い、どちらもどちらが間違っているのか分かっていません。これを解決するために、物理学者たちは、宇宙の初期にエンジンを回転させたかもしれない「隠れたエンジン」、すなわち「初期ダークエネルギー（EDE）」として知られる概念を探しています。この論文は、この「隠れたエンジン」の一つであり、かつ灯台からの光をもねじ曲げる性質を持つものが、速度制限の議論と、ねじれたロープの謎の両方を解決できるかどうかを深く掘り下げています。

宇宙のねじれと隠れたエンジン

この研究において、著者たちは宇宙の探偵として、二つのパズルを同時に解こうとしています。一つは「ハッブル・テンション」（宇宙の膨張速度に関する不一致）、もう一つは「宇宙バイリフラジェンス」（光の不思議な回転）です。彼らは、これら二つの謎を一つに結びつける特定の理論を検証しています。想像してみてください。宇宙には、宇宙がまだ赤ん坊だった頃に非常に活発に活動していた、一種の幽霊のような場、「初期ダークエネルギー（EDE）」が存在していたとします。この場はただそこに存在しているだけではありません。光と相互作用し、フォトンの偏光をゆっくりと回転させる「宇宙のコルク抜き」のような役割を果たしているのです。

チームは、このアイデアを検証するために膨大なデータセットを用いました。彼らは、4つの主要な情報源からの観測結果を組み合わせました。宇宙の赤ん坊の姿をマッピングしたプランク（Planck）衛星、宇宙を高精細に捉える地上望遠鏡であるアタカマ宇宙論望遠鏡（ACT）、膨張を追跡するために数百万の銀河をマッピングしているDESI、そして宇宙の距離指標として用いられる爆発する星のコレクションであるPantheonPlusです。これらすべてのデータをスーパーコンピュータによるシミュレーションに投入し、「もしこの回転するエネルギー場を宇宙のモデルに加えたら、数値はより良く一致するか？」と問いかけたのです。

大きな発見：より速い宇宙と、より大きなねじれ

結果は、この「ねじれ」モデルが宇宙の謎を解くための非常に強力な候補であることを示唆しています。著者たちがこの回転する場の影響を含めたところ、数学的な計算は、宇宙の膨張率が大幅に速いことを指し示しました。具体的には、ACTのデータを用いた場合、ハッブル定数（$H_0$）の値は 76.9$^{+2.9}_{-2.5}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ となり、プランクのデータを用いた場合は 76.2$^{+3.1}_{-2.5}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ となりました。これらの数値は、近くの星々から得られた「速い」測定値に非常に近く、宇宙の赤ん坊から得られた「遅い」測定値との間の溝を埋めるものです。

しかし、ここからが驚きの事実です。この速い速度を得るためには、モデルは驚くほど大量の「初期ダークエネルギー」を必要とします。チームは、この隠れたエネルギーが、歴史の決定的な瞬間において、宇宙の全エネルギー密度の約23.2%（具体的には 0.232$^{+0.074}_{-0.047}$）を占めていたと算出しました。これは膨大な量です！ まるで、車のエンジンが、全く未知の新しい燃料を20%も混ぜた混合物で動いていることを発見したようなものです。

データの中の「ねじれ」

研究では、「ねじれ」そのものがどの程度データに適合しているかも調査されました。彼らは、回転を引き起こす相互作用の強さ（チャーン・サイモンズ結合、記号 $g_{MPl}$ で表される）が、ACTのデータではおそらく 0.129、プランクのデータでは 0.164 であることを突き止めました。興味深いことに、より微細な詳細を見るアタカマ望遠鏡（ACT）のデータは、古いプランクのデータよりもわずかに小さな「ねじれ」を示唆していますが、両者とも「ねじれ」が存在することについては一致しています。

著者たちは、この「ねじれ」を含まない古いモデルと、自分たちの新しいモデルを比較しました。その結果、ねじれのない古いモデルは、より遅い宇宙と、より少ない量の初期ダークエネルギーを予測していたことが分かりました。この「ねじれ」を加えることで、モデルは観測結果と整合性を保つために、自然と「より速い膨張」と「より大きなエネルギー比率」を求めるようになるのです。

これが意味すること（そして、意味しないこと）

この論文は、回転する場と初期ダークエネルギーのこの特定の組み合わせが、ハッブル・テンションを解決するための堅牢な方法であることを示唆しています。結果は異なるデータセット間で一貫しており、これは、大きなぼやけた絵（プランク）を見ても、鋭く詳細な絵（ACT）を見ても、物語が成立することを意味しています。

しかし、著者たちは、この解決策には大きな代償が伴うことにも注意深く言及しています。このモデルは、他の測定値が示唆するものよりも宇宙が「塊状（クランピー）」であることを予測しており（$S_8$ パラメータとの不一致）、また、宇宙が標準的なモデルが予測するよりもずっと早く、かつ激しく再電離（ガスから電子が剥ぎ取られた状態）されたことを暗示しています。極めて重要な点として、著者たちは、この高い再電離光学的厚さ（$\tau_{reio} \approx 0.135$ と表記）を、このモデルの重大な限界として明示的に指摘しています。 彼らは、この値が初期宇宙の他の観測結果が示すものよりもはるかに高く、この理論の特定の側面は「さらなる調査に値する」ものであり、物理的に現実的ではない可能性があると警告しています。「ねじれ」は速度制限の議論を解決しますが、宇宙がいかにして成長したか、特に最初の星や銀河がいかに早く、かつ激しく形成されたかという点に関して、いくつかの新たな疑問を生み出します。

結局のところ、この論文はすべてを解決したと主張しているわけではありません。むしろ、宇宙に「ねじれ」成分があり、それが初期ダークエネルギーと結びついていると受け入れれば、数値は非常に納得のいくものになる、ということを示唆しています。これは、光の回転を宇宙の速度へと結びつける説得力のある物語であり、宇宙がなぜこのように膨張しているのかについて、新鮮な視点を提供しています。新しい望遠鏡が稼働するにつれ、それらはこの「ねじれ」をより精密にテストできるようになり、この隠れたエンジンが本当に私たちの宇宙の旅を駆動しているのかどうかを、確定させることになるかもしれません。