Testing Gravity with DESI DR2 and Strong-Lensing Time Delays
本論文は、DESI DR2および強重力レンズ時差を含む包括的なデータセットを用いて2つの重力モデルを制約し、平方根指数モデルが、宇宙定数を用いずに宇宙の後期加速膨張を説明する上で標準的なCDMモデルよりも優れていることを見出した。
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何十年もの間、宇宙の仕組みに関する最も成功した物語は、単純でありながら謎めいた前提に基づいています。アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論は、重力を、物体を引き寄せる力としてではなく、重いボールがトランポリンに沈み込むような、時空の織り目に生じる「曲がり」として記述しています。この理論は、星明かりの屈曲からブラックホールの存在に至るまで、突きつけられたあらゆるテストをクリアしてきました。しかし、1990年代後半、天文学者たちは、この物語だけでは説明できない何かを発見しました。それは、宇宙が単に膨張しているだけでなく、その膨張が加速しているという事実です。計算を成立させるために、標準的な宇宙論モデルは、宇宙を押し広げるための「ダークエネルギー」と呼ばれる新しい成分（しばしば宇宙定数として表現される）を捏造しなければなりませんでした。しかし、この解決策には、なぜこのような押し返す力が存在するのか、そしてなぜ今日においてまさにこれほどの強さを持っているのかという深い謎を含む、独自の悩みの種が伴います。
こうした残された疑問があるため、科学者たちは代替案を探し始めています。宇宙のスープに謎めいた新しい成分を加える代わりに、彼らは、重力のレシピ自体がアインシュタインが書いたものとは少し異なっているのではないか、と問い直したのです。一つの有望な道筋は、馴染みのある「曲がった空間」という概念を、「非計量性（non-metricity）」と呼ばれる概念に入れ替える、重力の幾何学的な記述に関わるものです。この視点では、重力は空間の曲がりからではなく、距離や時間を測定するルールが地点ごとにどのように変化するかから生じるとされます。このアプローチは「対称テレパラレル重力」として知られ、宇宙の方程式を書き換えるための新鮮な方法を提供します。これらの方程式を微調整することで、研究者たちは宇宙定数を発明することなく、加速膨張を説明できるモデルを作り出すことができます。
最近の研究で、研究チームはこの新しい重力理論の2つの特定のバージョンを、今日利用可能な最も精密な宇宙の測定値に対してテストしました。彼らは、一つは単純な冪乗則（power-law）に従うパターン、もう一つは平方根指数関数形状を用いる数学的形態に焦点を当てました。どちらのモデルが現実と一致するかを確認するために、彼らは現実の宇宙から得られた膨大なデータのコレクションを集めました。これには、古代の銀河の老化を観察することによって収集された、異なる時期における宇宙の膨張速度の測定、銀河の分布の中に凍結された音波の律動的なパターン、巨大な銀河によって曲げられた遠方のクエーサーからの光のタイムディレイ、そして、数千個の爆発する星であるType Ia超新星の明るさが含まれます。これらの超新星は「宇宙の距離指標」として機能し、天文学者が数十億光年の距離を高い精度で測定することを可能にします。
研究者たちは、強力な統計ツールを用いて、自分たちの新しい重力モデルが標準的なモデルと比較して、この膨大なデータにどれほどよく適合するかを検証しました。その結果、第一のモデルである冪乗法バージョンは、標準理論とほぼ全く同じ性能を示しました。それは宇宙の歴史を同様に記述できましたが、その余分な複雑さを正当化するほどの明確な利点は提供しませんでした。しかし、第二のモデルは異なる物語を語りました。研究者が、宇宙の膨張史、銀河の音波、タイムディレイされた光、そしてPantheon+およびUnion 3.0として知られる超新星カタログのデータを組み合わせたところ、平方根指数関数モデルは標準理論よりも有意に優れた適合度を示しました。それは観測結果により密接に一致しており、その改善は、方程式に余分なパラメータを追加することによるペナルティを上回るほど強力なものでした。
この結果は、宇宙が加速しているのは、謎めいた定数が押し広げているからではなく、重力の根本的なルールがアインシュタインが提案したものとは少し異なる形状をしているからかもしれないことを示唆しています。平方根指数関数モデルは、特に強力な候補として浮上し、テストされたいくつかのデータ組み合わせにおいて、宇宙の膨張に関するより正確な記述を提供しました。しかし、物語は完全には決着していません。チームがDES Y5として知られる別の超新星データセットを使用した際には、標準モデルが優位性を奪還しており、これは、どの特定の観測結果を最も重視するかによって答えが変わる可能性があることを示しています。それにもかかわらず、この研究は、修正された重力モデルが、宇宙定数を必要とせずに加速膨張する宇宙をうまく説明できることを証明しています。
研究者たちはまた、宇宙の歴史における重要な瞬間、すなわち、宇宙が自らの重力によって減速していた状態から加速し始めた転換点についても調査しました。彼らの両方の新モデルは、この転換が宇宙赤方偏移およそ0.66から0.69で起こったと予測しており、この値は標準モデルや他の独立した観測結果と完璧に一致しています。この一致は極めて重要です。なぜなら、たとえ基礎となる重力の理論が異なっていたとしても、宇宙の進化のタイムラインは私たちが観測するものと一貫していることを意味するからです。研究は、標準モデルが依然として宇宙の堅牢な記述である一方で、修正された重力の平方根指数関数形式が、宇宙の後期加速を説明するための説得力があり、統計的に優れた代替案を提供していると結論付けています。それは、宇宙の膨張の秘密が隠されたエネルギーにあるのではなく、空間そのものの幾何学に対するより深い理解にある可能性を示唆する、実行可能な道筋として立っています。
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