ダークエネルギー

アインシュタインの相対性理論によると質量とエネルギーは等価であり、どちら も時空を曲げる源になることができる。水素やヘリウムなどの事実上圧力ゼロの 物質や正の圧力をもつ光子ガスは引力として作用するため、宇宙膨張を減速させ る。ところが1990年代にIa型超新星を用いて行われた宇宙膨張の解析により、 一様等方性を仮定すれば、宇宙は加速しながら膨張していなければならないこと が分かった。ダークマターは通常圧力ゼロと仮定されるため、質量だけで宇宙の 加速膨張を説明することができない。
もし、圧力が負の成分を考えたらどうなるのであろうか？実はじゅうぶん負の圧 力が強ければ宇宙膨張の加速度を正にすることができる。そのような成分をダー クエネルギーとよぶ。特に時間的にも空間的にもエネルギー密度が一定の成分を 宇宙定数もしくは宇宙項とよび、$\Lambda$であらわす。 もし、宇宙定数が存在するので あれば宇宙の全エネルギー密度の約70%を占めているものとされる。ダークエネルギー の正体として何らかの新しいスカラー場(クインテッセンス)の真空エネルギーが 考えられている。クインテッセンス場のエネルギーの真空期待値は一般に時間変 化するが、観測を説明するためにはじゅうぶんその変化が小さくなくてはならな い。またそのエネルギーの値そのものも、素粒子の理論の予言する値としては極 めて小さい値をとるように正確にチューニングされていなければならない。しか し、そのようなチューニングを達成するための機構は未だ解明されていない。
もし、宇宙が等方であるが非一様であったらどうなるであろうか？我々のいる場 所は密度が低いボイド領域にあり、数百Mpcはなれた場所では密度が高いと仮定 する。その場合ボイドが膨張することにより、我々の近くの天体の膨張速度はボ イドがない場合に比べて増大する。したがって、みかけ上宇宙は加速膨張してい るように観測される。しかし、我々はボイドの中心近くにいなければならず、そ の意味で完全に「自然」なモデルとはいえない。近年の観測結果によるとボイド 周辺部の銀河団の速度はあまり高くないようであり、宇宙論的原理を破る非一様 モデルにとっては都合が悪い。
ダークエネルギーを考える替わりに、大きなスケールで一般相対論が破れる代替 重力理論を考える研究者もいる。そのスケールを自然に説明することは難しいが、 数百Mpcを超えるスケールでニュートンの万有引力の法則が成立しているかどう か自明ではないため、にわかに否定することも難しい。重力子にわずかな質量を 持たせることにより、遠方で万有引力の距離に対する逆二乗則が破れるようなモ デルも存在する。しかし、今のところ一般相対論の破れに関する決定的な証拠は みつかっていない。
宇宙の加速膨張の起源はこのように謎のベールに包まれており、その解明は 物理学の根幹に関わる最大の課題であるといえる。