WebbとHubbleが確認した宇宙の膨張速度
(esa.int)- NASA/ESA/CSA James Webb Space TelescopeがHubble Space Telescopeによる宇宙膨張率の測定を再確認し、従来のHubble測定値に残っていた疑問が軽減された
- 宇宙の膨張率である Hubble constant は、宇宙の進化と最終的な運命を理解するための重要なパラメータであり、観測値とビッグバンの残光に基づく予測値の間には Hubble Tension が残っている
- 地球から約1億3000万光年離れたNGC 5468の画像は、HubbleとJames Webb宇宙望遠鏡のデータを組み合わせて構成された
- HubbleはNGC 5468で Cepheid variable stars を識別しており、この銀河はHubbleがCepheid変光星を確認した最も遠い銀河である
- Cepheidに基づく距離測定は、同じ銀河内の Type Ia supernova とクロスチェックされ、Type Ia超新星はさらに深い宇宙距離と膨張率の測定へと範囲を広げる
宇宙の膨張率とHubble Tension
- Hubble constant は宇宙が膨張する速度を表し、宇宙の進化と最終的な運命を理解するために使われる基本パラメータの一つである
- 複数の独立した距離指標で測定したHubble constantの値と、ビッグバンの残光から予測した値の間には継続的な差がある
- この差は Hubble Tension と呼ばれる
Webbが再確認したHubbleの測定
- NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope は、Hubble Space Telescopeによる宇宙膨張率の測定が正しかったことを確認した
- この結果により、Hubble測定値に残っていた疑問が解消された
NGC 5468の観測画像
- 観測対象は地球から約1億3000万光年離れた銀河 NGC 5468 である
- 画像は Hubble と James Webb 宇宙望遠鏡のデータを組み合わせて作成された
- NGC 5468は、Hubbleが Cepheid variable stars を識別した最も遠い銀河である
距離梯子：CepheidとType Ia超新星
- Cepheid variable stars は、宇宙膨張率を測定するうえで重要な距離指標として使われる
- Cepheidで計算した距離は、NGC 5468内の Type Ia supernova とクロスチェックされた
- Type Ia超新星は非常に明るいため、Cepheidが届く範囲を超えた宇宙距離の測定に活用される
- この方法により、宇宙の膨張率の測定をより深い宇宙まで拡張できる
画像に写る銀河構造
- 正面から見た渦巻銀河が中心に位置している
- 4本の渦巻腕が反時計回りに外側へ曲がっている
- 渦巻腕には若く青い星々があり、紫がかった星形成領域が小さなしみのように散らばっている
- 銀河中心はより明るく黄色みを帯びており、11時方向から5時方向に傾いた細く直線的な棒状構造がはっきり見える
- 黒い宇宙背景には、複数の赤い背景銀河が散らばっている
1件のコメント
Hacker Newsの意見
記事に出てくる宇宙の距離梯子は、科学の中でも特に好きなテーマの一つ
非常に遠い天体までの距離をどうやって知るのかは単純ではなく、その歴史も興味深い
出発点は地球と太陽の間の距離で、1672年にRicherとCassiniが10%以内まで迫るまでは、誰も正確には分かっていなかった。その後、1769年のJames CookによるTahiti航海で、金星の太陽面通過を地球の反対側から観測したことで、より正確になった
次に、基本的な幾何学によって、地球が太陽の周りを公転するときに近くの恒星がわずかに動いて見える視差を観測できるが、この方法が通用するのは約1万光年程度まで
その後、Cepheid変光星（Henrietta Swan Leavitt、1908年）とIa型超新星（Subrahmanyan Chandrasekhar、1935年）という、信じられないほど都合のよい天体物理学的手法が発見され、梯子をさらに数段上れるようになった。さらに遠方では赤方偏移と距離の関係が重要になり、宇宙の端までつながっていく
https://www.uwa.edu.au/science/-/media/Faculties/Science/Doc...
実際の値は約400倍だが、レンズも円周率もなく、彼の死後1800年にわたって天動説が定説だったことを考えると驚くべきこと
https://en.wikipedia.org/wiki/Aristarchus_of_Samos#Distance_...
Terence Taoの宇宙の距離梯子に関する動画もよい: https://www.youtube.com/watch?v=7ne0GArfeMs
そのためシャトル名も英国式の綴りを使っており、Apollo 15の司令船の名前も同じ由来を持つ。先週ISSに到着したSpaceX Crew Dragonも、シャトルにならってEndeavourという名前を使っている
シャトルEndeavourはCalifornia Science Centerにあり、最近、外部燃料タンクとブースターまで一緒に「stacked」されたので、再び近くで見られるようになるには数年かかりそう。真下を歩けた頃のほうがずっと格好よかった
Hubbleは打ち上げ当時、鏡の製作ミスで視野が損なわれていたが、1993年のSTS-61ミッションでEndeavourがそれを修理した
例えば1350年ごろの当時の最先端の天文学がどんなものだったのか、といった内容を読みたいので、推薦があればとても知りたい
関係する科学者たちは各段階の誤差を把握し反映しているはずだが、それを分解して見せる分析を見てみたい。最初はCepheid変光星のせいで不確実性が大きいのではと思っていたが、実際にどれほどよく制御されているのかはよく分からない
https://www.youtube.com/watch?v=FGwmAEMabm4&t=1
この話題の背景を簡単に整理すると、宇宙の膨張率であるハッブル定数を求める方法は少なくとも2つある
1つは、初期宇宙の特定の条件に由来する宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のゆらぎを使って現在の膨張率を推定する方法で、もう1つは、非常に遠い銀河までの距離と、私たちから遠ざかる速度を見て計算する方法
理論上、この2つは同じ値を与えるはず。最初は2つの方法の結果が異なっていたが、誤差棒が大きかったため重なっており、より精密になれば共通の値に収束すると期待されていた
しかしCMBの測定は67 ± 0.5まで精密になり、銀河の距離／速度による方法は73 ± 1まで達したが、互いに重ならない。この不一致がハッブル緊張で、宇宙論における最も厄介な問題の1つ
考えられる説明は、CMBゆらぎの測定誤差、遠方銀河の距離や速度の測定誤差、または物理の理解から抜け落ちている何か。今回の結果は、Hubbleとは異なる波長で観測するJames Webbのデータを追加したもので、Hubbleの測定とよく一致している
ただし、ハッブル緊張を解決したわけではない。むしろ、遠方銀河側の結果がHubbleの測定誤差のせいだという疑いをほぼ消し去った。CMBの測定もかなり信頼できると見るなら、今や測定の問題ではなく、誤って理解している物理や新たに発見すべき物理がある、という方向に解釈される可能性が高い
HubbleのデータをLorentz因子で正規化すると、再び一定の膨張率が得られる: https://www.desmos.com/calculator/llhnja1ocb
Hubbleは銀河にドップラー効果を適用することに非常に慎重で、赤方偏移を後退速度として解釈することに反対していた。1953年に2人が亡くなる前年には、Robert Millikanにも、赤方偏移を宇宙膨張と見る解釈はおそらく間違っていると説得していた
Hubbleは著書 Observational Approach to Cosmology[+] の末尾で、「後退因子を捨て、赤方偏移が主に速度によるシフトではないとすれば、描像は単純であり、もっともらしい。膨張の証拠もなく、時間尺度の制約もなく、空間曲率の痕跡もなく、空間次元の限界もない……」と書いている
[+] https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept04/Hubble/paper.pdf
出典: https://plasmauniverse.info/people/contributors.html
数値的にはおおむね合っているとされ、主な支持者はそれを循環宇宙モデルを正当化するために使おうとしているようだ。理解が正しければ、より長い、つまり銀河膨張の時間尺度を持つ標準的なビッグバンとも両立可能に見える
いずれにせよ物理学は、その黒体放射がどうなったのかも説明しなければならない
タイトルや要旨で、この点を前面に明確に出すべきだった。原文は「Webb & Hubble confirm Universe’s expansion rate」、「Hubbleの鋭い目が引き続き正しかったことが確認され、Hubbleの測定に残っていた疑念を払拭した」のように書いていて、まるで解決されたかのように見える
より正確なタイトルは「WebbがHubbleによる宇宙膨張率の測定を確認した」程度だっただろうが、あまり面白くはなかったのだろう
しばらくの間、ハッブル緊張を解決する最も単純な説明として、Hubble望遠鏡の測定が間違っていたのではないかという期待があった
しかしそうではなく、むしろ謎はいっそう深まった。確かなことは分からないが、Hubbleによる推定はかなり以前から広く受け入れられていたようで、私がこのテーマを教養レベルで学び始めて以来、宇宙の年齢は138億年とされてきた
https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law#Determining_the...
キャプション: 「最近の観測[54]における測定不確かさを含むハッブル定数の値（(km/s)/Mpc）」
2003年の初期WMAP結果が137億年を支持し、その後の結果がそれを138億年の方へ少し引き上げた。もちろん、すべての結果には誤差棒がある
以前にも尋ねたが、納得できる答えを得られなかった気がするので、もう一度聞きたい
銀河が私たちから加速して遠ざかっていることを、どうやって知るのか？ 単に、より遠い銀河ほどより速く遠ざかって見えるという観測をもって、加速を意味すると言われることが多い
しかし加速がなくても同じ観測結果になり得るのではないか？ 宇宙にある物体が地球を基準にランダムな方向と速度で動いているとすれば、十分な時間が経てば、最初は私たちの方へ向かっていた物体まで、すべて遠ざかって見える可能性がある。そして速く動いた物体が最も遠くにあるのは、速度の定義上当然のこと
要するに、銀河が加速していなくても、より遠い銀河ほどより速く後退しているように見えることはあり得る
銀河の速度を測る方法は、実質的に赤方偏移しかないように見える。それほど遠い距離を三角測量するのは不可能で、時間スケールも障壁になるため、赤方偏移による計算を別の方法で確認する術がない
もし赤方偏移が別の効果、たとえば光が何百万年も虚空を進むうちに「劣化」する現象によって生じるのだとしたら、すべての計算が無効になる
何度か尋ねたが、答えはたいてい「光が赤方偏移する別の理由を知らない」や「現在の理論的枠組みは一貫している」というものだった。一貫性を確認する別の測定がなくてもだ
ビッグバンに関連する膨張理論は、非常に遠い銀河はより若いため組成が異なるはずだと予測していたが、この予測は失敗しているように見える。ただし観測装置が発展すれば、今後より正確な答えを与えてくれるかもしれない
それ以前も遠ざかってはいたが、速度は増加せず減少している、つまり減速膨張の状態だった
より遠い銀河ほどより速く遠ざかって見えるという観測は、宇宙が膨張していることを示すが、それ自体だけでは膨張が加速なのか減速なのか、あるいはそのどちらでもないのかは分からない
膨張率が時間とともにどう変わるかは、銀河ごとに赤方偏移、明るさ、角サイズという3つの観測値の関係を比較して見る。宇宙論者はこの関係から宇宙の膨張史をモデル化し、最近の数十億年は加速膨張で、それ以前は減速していたという結論を得ている
ランダムな方向と速度を持つ物体というシナリオなら、宇宙全体で物体同士の平均距離は、おおむね静的な結果になるはずだ。無限に遠い場所から無限に多くの物体が来るので、常に周囲に物体があるはずだから
おそらく、箱の中に物体を入れてランダムなベクトルを与え、その後に箱を取り除く状況を想像しているのだろう。そうすれば全員がもとの箱の境界を越えて互いに遠ざかるが、宇宙はそういう仕組みではない
空間が膨張している主な根拠は、遠ざかる物体の速度を赤方偏移で測定している点にある。地球から同じ距離にあるが反対側の空間にある物体が、ほぼ同じ測定速度で遠ざかっている
現在の観測を説明する既存の理論は、空間の膨張以外には事実上存在しない。すべてを理解しているとは思わないが、この特定の測定については疑いの余地はほとんどない。空間が膨張し、その結果として、すべての物体が距離に比例して遠ざかる効果が生じている
私たちが宇宙膨張と呼ぶ赤方偏移を説明できるほど、銀河が大スケールでランダムな方向とランダムな速度で動いていると信じる理由はない
提示された説明が正しいなら、非常に遠くにありながら非常にゆっくり私たちの方へ動いている銀河も見えるはずだし、近くにありながら非常に高速な銀河が、もともとは非常に遠くから出発した可能性もなければならない。物体が私たちの局所宇宙の外側から入ってこなければならないが、そういうことは起きていない
超銀河団の内部では、重力が時空の膨張に打ち勝ち、少なくとも現時点では私たちを束ねている
Dr. Beckyは1年前の動画で、膨張率を測る2つの主要な方法、つまり宇宙マイクロ波背景放射と超新星測定が互いに異なる結果を出している問題を扱っている
それぞれの方法の精度が上がるほど、最終結果はむしろさらに乖離した
[0] 'theJWST just made the "Crisis in Cosmology" WORSE'
https://www.youtube.com/watch?v=hps-HfpL1vc&t=858s
個人的には疲れた光理論の方が事実をよりよく説明していると思うが、パラダイム転換が必要なので、革命が起きるまでは抵抗が大きいだろう
タイトルは記事からそのまま取ったものだとしても、「新しいデータは、WebbとHubble望遠鏡が宇宙膨張率については一致しているが、宇宙マイクロ波背景放射に基づく測定値とは一致していないことを示す」に変えた方がよい
タイトルは「ハッブル・テンションは測定誤差が原因ではない可能性が非常に高い」くらいがよいと思う
新しい測定が何かを明らかにしたり混乱を解消したりしているようには見えず、既存のHubble測定を確認しているだけだ。ハッブル・テンションは依然として難解な問題として残っている
科学者たちが当初は測定誤差だと考えていた、もう一つの興味深い不一致がAxis of Evilだ
1990年代に打ち上げられた最初の宇宙望遠鏡Cosmic Background Explorer（COBE）がCMBの地図を作成したところ、CMBが太陽系平面と非常に精密に整列するパターンが含まれており、偶然と片付けるのは難しかった。これは、地球と太陽系は特別ではなく、宇宙のどの位置も特別ではないというコペルニクス原理に反する
科学者たちはCOBE望遠鏡のせいによる異常現象だろうと見なし、次の宇宙望遠鏡では消えるだろうと考えた
2001年に打ち上げられたWilkinson Microwave Anisotropy Probe（WMAP）はCMBをより精密かつ高解像度で撮影したが、異常現象はそのままだった。それでも測定や計算のどこかに誤りがあるのだろうと見て、CMBを測定する3つ目の宇宙望遠鏡に期待をかけた
2009年に打ち上げられたPlanck Surveyorはさらに精密な測定を行ったが、異常現象はいまも残っている。そのため、この異常現象は「Axis of Evil」という名前を得て、宇宙に対する私たちの理解に逆らっている
ハッブル・テンションと最近の JWST 測定をめぐる論点を紹介する Dr. Becky の16分動画をおすすめする
一般の人にも問題をうまく説明してくれる: https://www.youtube.com/watch?v=hps-HfpL1vc
以前の動画だが今でも有効で、JWST の発見と、なお残っている食い違いのポイントをよく紹介している
20年、50年、100年、500年後の人類は、20〜21世紀の科学を、今の私たちが16〜17世紀を見るように振り返るだろうと1000%確信している
一部はおおむね正しかっただろうが、大半は不正確、不完全、あるいは以前のモデルから生まれた想像に近いものだったと見なされるはずだ
いつもそうだったし、今回も違わないと思う。どの時代の人々も、宇宙をほぼ完全に理解したと考えていた。20世紀初頭にも科学はおおむね完成したと見なされていた、という文章を読んだ記憶があるが、相対性理論と量子物理学を考えれば結果は誰もが知っている
個人的には、宇宙がたった150億「年」にも満たないという考えは受け入れがたい。その時に大きな宇宙的出来事、つまり BANG がなかったという意味ではないが、それが「すべての始まり」だったとは思わない。「神が宇宙を創造した」という式の考え方に非常によく似て感じられる
科学者たちは「クォーク」や「ダークエネルギー」について語るが、これは「何をするかはある程度わかっているが、実際に何なのかはわからない」というプレースホルダーに近い
100年後や500年後には、量子力学と一般相対性理論も、より深い理論の近似や影として明らかになるだろう。だが、それでもその予測がとてつもなく正確だという事実は変わらない
現実への理解はただ前に進んでいるだけではなく、実際の真理に漸近的に近づいている。新しい理論が概念的枠組みをひっくり返すことはあり得るが、最終的には小数点以下の桁を増やす形でなければならない。そうでなければ既存の理論より劣る理論になってしまう
より良い数値として「およそ200億年」くらいを言うことはできるかもしれないが、「本当の数字」が1000億年や500億年を超えるのは難しそうだ、という点はかなり明らかに見える
宇宙の距離はしごに関心があるなら、David Butler の YouTube シリーズ “How far away is it?” が素晴らしい
宇宙の距離はしごに沿って距離を推定する方法、歴史、例を詳しく扱っており、強くおすすめする
https://www.youtube.com/playlist?list=PLpH1IDQEoE8QWWTnWG5cK...