双子の世界

autre

2

宇宙の大規模構造。

entete

もし第二の宇宙が私たちの宇宙の膨張を妨げられ、その密度がより高いまま維持されれば、温度も同様に高い状態を保つ。そこで、二つの自己引力を持つが互いに反発し合う集団からなる系における重力不安定性を検討することにする。

com_cd

理論によれば、最も密度が高いものが最も早く、最も強く反応する。その結果、重力不安定性によって「幽霊物質」の凝集体が形成される。

では、重力不安定性とは何か。これは、すでに登場したジェインズ卿が初めて研究した現象である。

密度がρであり、その要素が熱運動速度Vthを持っている媒質を考える。そして、密度の摂動が成長するか、あるいは消散するかを検討する。ある場所に直径がfの過密度が形成されたと仮定しよう。

熱運動は自然にこの摂動を拡散させようとする。その時間はどれくらいか?それは、原子が距離fを移動するのにかかる時間と同程度であり、つまりこの塊が直径を2倍にするのにかかる時間でもある。

熱運動の速度がゼロであると仮定しよう。このとき原子同士は引き合う。この塊は自らに引き寄せられ、収縮しようとする。その収縮に要する時間を計算することは可能である。実際、自己衝撃する「粉塵雲」は、ビッグバンの逆の様相を呈する:

ここで、この二つの時間を比較する。

重力収縮時間の方が、熱運動による自己拡散時間よりも短い場合、摂動は凝縮する。

直径が特性長さ、すなわちジェインズ長Ljと呼ばれる長さよりも大きい摂動は増幅され、物質の凝集体(クラップ)を形成する。

この「塊」が形成されると、物質は圧縮され、加熱される。圧力が増大し、最終的に収縮を止める。

これを「重力不安定性」または「ジェインズ不安定性」と呼ぶ。

標準モデルの観点から考えると、次のように言えるだろう:

「よくできている。ビッグバンの後、宇宙は膨張し、冷却する。重力不安定性が働き、銀河や星の形成シナリオを構築できる。」

しかし、もしそう簡単なら、すでに実現されているはずだ。実際、銀河の形成に関する理論モデルは存在しない。一部の研究者は、星団が最初に形成され、その後銀河、そして星ができたと考える。他方、逆の主張も存在する。

さらに、すべての過程は依然として激しく膨張する宇宙の中で進行している。非常に赤方偏移が大きい銀河の観測は、それらが非常に古く、銀河内の最古の星の年齢と一致することを示している。この現象を理論的に説明することは、まだできていない。

だが、二つの事実がわかっている。

1:物質のガスが「光子ガス」と強く結合している間、つまり宇宙がイオン化したままの間は、重力不安定性は機能しない。なぜなら、光子は自由電子(原子から剥離された電子)よりも、原子核の周りを回る電子とより強く相互作用するからである。

光子もまた、ある意味で「ガス」を形成する。宇宙の膨張に伴い、このガスは物質と同様に膨張し、独自の圧力、すなわち「放射圧」を持つ。物質と光子が強く結合している間、イオン化ガスが収縮しようとするとき、その光子ガスも一緒に引きずられる。

だが、光子は光速で移動する!有限のサイズを持つガス塊が、どうして光子を「閉じ込める」ことができるのか?

ここでいう「閉じ込め」とは、そのガス塊内では光子が常に吸収され、再放出されるため、その塊から脱出するのに非常に時間がかかるという意味である。太陽の中心から発せられた光子も、表面に到達するまで非常に困難で遅い過程を経て移動するのと同じである。

宇宙の年齢が50万年未満の段階では、放射線はイオン化ガス塊の中に閉じ込められ、塊の形成を試みる可能性があるが、放射圧がまだ高いため、凝縮は許されない。

結論:標準モデルによれば、宇宙はt = 50万年まで均一またはほぼ均一である。何かが起こるのは、それ以降である。

2:星が銀河に集まり、銀河がさらに大規模構造を形成している。いくつかの銀河はさらに集まって、数千もの個体からなる銀河団(コンア銀河団、ビルゴ銀河団)を形成している。当初は、この構造がさらに大きなスケールで続くと考えられ、超銀河団(銀河団の銀河団)の存在が提唱された。

しかし観測結果は、まったく異なる様相を示した。実際、銀河は「泡状の構造」を形成している。銀河団は、このような分布における「節点」にすぎない。以下は、1977年の観測データの解析結果である。

つまり、銀河は非常に大規模なスケール(非常に大規模構造)で、直径が数億光年程度の巨大な真空の泡の周囲に分布している。

別のアプローチとして、研究者たちは、均一な物質分布(当然、一つの宇宙内)からこのような構造を再現しようとした。初期の理論は、平面状の摂動の成長(ゼルドビッチの「パンケーキ」)であった。しかし、結果は期待に反して不満足だった。コンピュータシミュレーションでは、いくつかの細胞構造は得られたが、熱運動によってすぐに消散してしまった。現在までに、このような構造の形成を説明する説得力のある理論は存在しない。せいぜい、冷たい暗黒物質を用いて「補強」することで、それらの構造の相対的な安定性を保つことが可能である。

このような点質量の分布を幾何学的に解釈する方法もある。通常の物質が、幽霊物質の凝集体によって反発されているという図式である。これは前述の図と一致する。

テントの杭の先端が丸みを帯びていると仮定する。この杭の先端がどれだけ丸いかによって、幽霊物質の塊の広がりが変わる。逆に、杭の先端が鋭いほど、塊は小さくなる。無限に鋭い杭の先端は、正の曲率が集中した領域、すなわち「ポジコン領域」に対応する。

ここでは、次の節に続くモデルを提示する。

前のページ

次のページ

この資料の目次

科学の目次

新着情報へ戻る

2005年6月13日以降のこのページの閲覧回数