東北大など、１３０億光年彼方での一般相対性理論を検証

「１３０億光年彼方での一般相対性理論の検証〜アインシュタインは間違っていなかった？〜」


１．発表者：
　奧村哲平（おくむら・てっぺい）
　東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構　特任研究員
　日影千秋（ひかげ・ちあき）
　東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構　特任助教


２．発表のポイント：
　◆宇宙の加速膨張の謎に迫るため、すばる望遠鏡を用いて遠方宇宙（１３０億光年）にある約３０００個の銀河の距離を測定し、立体地図を作成した。
　◆銀河の運動を詳しく調べることで、宇宙の大規模構造が形成される速度を、このような遠方（過去）の宇宙において世界で初めて測定し、一般相対性理論が重力理論として正しいかを検証した。
　◆得られた測定結果は、一般相対性理論の予言値と一致していた。宇宙の加速膨張は、アインシュタインが導入した「宇宙定数」によって説明できるとする説をさらに支持する結果となった。


３．発表概要：
　東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli　IPMU）の奧村哲平特任研究員と日影千秋特任助教、東京大学大学院理学系研究科天文学専攻の戸谷友則（とたに・とものり）教授を中心に、東北大学大学院理学研究科天文学専攻の秋山正幸（あきやま・まさゆき）准教授及び京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻の岩室史英（いわむろ・ふみひで）准教授、太田耕司（おおた・こうじ）教授らから成る国際研究グループは、すばる望遠鏡を用いたFastSound（ファストサウンド）という銀河サーベイにより、平均して１３０億光年もの遠距離にある約３０００個もの銀河までの距離に基づく宇宙３次元地図を完成させました。

　さらに地図中での銀河の運動を詳しく調べ、重力によって大規模構造が成長していく速度の測定に初めて成功しました。そして、そのような遠方宇宙でも構造形成速度がアインシュタインの一般相対性理論の予想と一致することを確かめました。今回の結果は、一般相対性理論は正しく、アインシュタインが導入した宇宙定数により宇宙の加速膨張が起きているという説をさらに支持するものです。

　本研究成果は日本天文学会の発行するPublications　of　the　AstronomicalSociety　of　Japan（欧文研究報告）のオンライン版に２０１６年４月２６日付で掲載されました。


４．発表内容：
　宇宙はビッグバンで誕生して以来、膨張を続けています。単純な理論予想では、その膨張は減速していくはずですが、近年の詳細な宇宙の観測から、逆に加速膨張していることがわかっています。その原因は謎に包まれており、ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギーが宇宙を満たしているか、あるいは、宇宙論が基礎に仮定している一般相対性理論が破綻しているのか、という二つの可能性が考えられ、精力的に研究が続けられています。一般相対性理論は約１００年前にアインシュタインによって確立した重力の理論です。太陽系以下のスケールでは高い精度で実験的に検証されていますが、１００億光年を超えるような宇宙論的なスケールでも成り立つかどうかはわかりません。

　そこで、宇宙論的なスケールで重力が一般相対性理論に従っているかどうかの検証が必要となります。そのために最も有力な観測の一つは、銀河のサーベイ観測によって多数の銀河までの距離を測定し、宇宙における銀河の３次元分布、いわゆる宇宙大規模構造を調べることです。宇宙の大規模構造に沿って個々の銀河がどのくらいの速度で運動しているかを調べると、大規模構造の成長速度がわかります。この速度が、一般相対性理論の予想とあっているかどうかを調べることで、一般相対性理論の検証ができます。

　しかし、これまでの大規模構造成長速度の測定は、赤方偏移（注１）の値が１、共動距離（注２）にして約１００億光年までの比較的近傍の宇宙に限られてきました。東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli　IPMU）の奥村哲平特任研究員と日影千秋特任助教、東京大学大学院理学系研究科天文学専攻の戸谷友則教授を中心に、東北大学大学院理学研究科天文学専攻の秋山正幸准教授及び京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻の岩室史英准教授、太田耕司教授らからなる研究グループは、FastSound　（ファストサウンド；FMOS　Ankoku　Sekai　Tansa（暗黒世界探査）Subaru　ObservationUnderstanding　Nature　of　Dark　energy）という銀河サーベイを遂行し、赤方偏移の値が１を超える宇宙での重力理論の検証を行いました。FastSoundは、ハワイ島マウナケア山のすばる望遠鏡に、京都大学とオックスフォード大学が主導し開発したFMOS（Fiber　Multi−Object　Spectrograph　注３）という分光器を取り付けて、赤方偏移の値が１．２から１．５すなわち、共動距離で約１２４億光年から１４７億光年の宇宙における銀河までの距離を測定する銀河サーベイです。２０１２年から２０１４年にかけて観測が行われ、昨年、約３０００個もの銀河からなる宇宙の３次元大規模構造マップが完成しました（図１）。奥村研究員らは、その中での個々の銀河の運動を調べ、大規模構造の成長速度の測定に成功しました。測定の統計的有意度は９９．９９７％で、１００億光年を超える遠方宇宙でこれだけの有意度で成長速度を測定できたのは世界で初めてのことです。その測定値を一般相対性理論の予想値と比較したところ、測定誤差の範囲で一致していることがわかりました（図２）。

　アインシュタインはかつて、自らが信じる「静止した宇宙」を可能とするため、一般相対性理論の基礎方程式である「アインシュタイン方程式」に「宇宙定数」と呼ばれるものを追加しました。のちにハッブルによって宇宙の膨張が発見され、宇宙定数の導入を「生涯最大の過ち」として撤回したことは有名です。しかし、現在の加速する膨張宇宙は、一般相対性理論にこの宇宙定数を加えることで説明できることが知られています。今回の観測結果は、この宇宙モデルにさらなる支持を与えるものです。

　しかし、宇宙定数の物理的な起源は依然として謎に包まれています。また、今回の測定誤差の範囲内で、わずかに重力が一般相対性理論からずれている可能性もまだ否定できません。Kavli　IPMUが主導して開発が進むすばる望遠鏡の新観測装置、PFS（Prime　Focus　Spectrograph　注４）はFastSoundよりもさらに大規模な銀河サーベイを可能にします。FastSoundによって得られた今回の結果はPFSによる観測へと発展し、宇宙論研究で世界的な結果を出していく重要なステップと位置付けることができます。


　本研究の中心となった奧村哲平（おくむら・てっぺい）特任研究員は成果について「宇宙の三次元マップを作るための本格的な銀河サーベイを日本が主導して行ったのは初めてのことで、それによって一般相対性理論誕生から１００年という節目に、史上最遠方の一般相対論の検証結果を発表できて、感慨無量です」と述べています。

　本研究は、日本天文学会の発行するPublications　of　the　Astronomical　Societyof　Japan（欧文研究報告）のオンライン版に２０１６年４月２６日付で掲載されました。


５．発表雑誌：
　雑誌名：「Publications　of　the　Astronomical　Society　of　Japan（欧文研究報告）」Vol．００（２０１６）No．０

　論文タイトル：The　Subaru　FMOS　galaxy　redshift　survey　（FastSound）．　IV．New　constraint　on　gravity　theory　from　redshift　space　distortions　at　z　〜１．４著者：　Teppei　Okumura　（１），　Chiaki　Hikage　（１），　Tomonori　Totani　（２），Motonari　Tonegawa　（２），　Hiroyuki　Okada　（２），　Karl　Glazebrook　（３），　ChrisBlake　（３），　Pedro　G．　Ferreira　（４），　Surhud　More　（１），　Atsushi　Taruya　（１，５），Shinji　Tsujikawa　（６），　Masayuki　Akiyama　（７），　Gavin　Dalton　（８，９），Tomotsugu　Goto　（１０），　Takashi　Ishikawa　（１１），　Fumihide　Iwamuro　（１１），Takahiko　Matsubara　（１２，１３），　Takahiro　Nishimichi　（１，１４），　Kouji　Ohta　（１１），Ikkoh　Shimizu　（１５），　Ryuichi　Takahashi　（１６），　Naruhisa　Takato　（１７），Naoyuki　Tamura　（１），　Kiyoto　Yabe　（１），　and　Naoki　Yoshida　（１，１４，１８），


　※以下の資料は添付の関連資料「リリース詳細」を参照

　・著者所属
　・用語解説
　・図１・図２