ダークエネルギーか新しい重力理論か?
向山 信治
（ビッグバン宇宙国際研究センター 教授）
現在の宇宙は，ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギーに満たされているらしい。これはSFの話ではなく，アインシュタインの一般相対論と精密な観測データに基づく最新の宇宙像である。
宇宙背景輻射と呼ばれる初期宇宙の残光や，重い星が一生を終える際の大爆発である超新星の観測から，現在の宇宙の膨張は加速していることが分かってきた。ここで，宇宙を構成する成分を特徴づける量として，光速=1の単位系で，圧力とエネルギー密度の比（以下ではw）を導入しよう。一般相対論において，万有斥力を生み出して宇宙の膨張を加速させるには，ダークエネルギーの3w+1が負（その結果wも負）である必要がある。膨張宇宙において，wがほぼ0である通常の物質のエネルギー（エネルギー密度×体積）はほぼ保存，正のwを持つ輻射のエネルギーは減少するが，wが負のダークエネルギーは膨張とともに増加する。これは，負の圧力を持つと，体積変化による外部との仕事のやりとりが通常と逆符号になり，膨張することで逆にエネルギーを得ると理解できる。
このように，宇宙の加速膨張は，一般相対論に基づいて説明しようとすると，負の圧力（より正確には負の3w+1）により万有斥力を生む，ダークエネルギーの存在を示唆する。ダークエネルギーは現在の宇宙の約7割を占めると考えられているが，その正体は全く分かっていない。
歴史的には，19世紀にこれと似た状況が知られている。惑星の軌道の精密な観測により，水星の近日点移動と呼ばれる現象が発見されたが，ニュートンの万有引力の法則と運動方程式では説明できなかった。そこで，人々は見えない惑星を導入して説明しようとした。この仮説上の惑星はヴァルカンと呼ばれ，観測によって発見したと主張する研究者もいた。しかし，本当の答えは“重力理論を変える”ということだった。一般相対論は水星の近日点移動を見事に説明し，ニュートン力学に変わる，新しい重力理論としての地位を獲得したのである。
この歴史的事実を鑑みれば，少なからぬ研究者が「ダークエネルギーを導入する代わりに，一般相対論を変更する事はできないか？」と考えるのも理解できるだろう。ダークエネルギーは，一般相対論で加速膨張を説明しようとすると必要だが，もしも重力が長距離で変更を受けるのなら，もしかすると必要ないのかもしれない。また，前述の宇宙背景輻射と最近のバリオン音響振動（宇宙のゆらぎが光子バリオン流体の音波振動として伝わる現象）の観測からは，ダークエネルギーのwが時間依存し，過去においてw+1が負だったかもしれないという示唆が得られている。一方，理論的には，一般相対論と通常の場の量子論が正しいとすると，w+1は非負と結論づけられる。
観測・理論両方のさらなる発展が必要なことは明らかである。ビッグバン宇宙国際研究センターでは，既存の重力理論や宇宙の観測だけでなく有効場の理論やブラックホールの理論，重力波観測等も総動員して，ダークエネルギーか新しい重力理論か？という根源的な問いに挑戦している。
著者がAntonio De FeliceおよびAndreas Dollと共同で提唱したVCDMは，致命的な不安定性をすべて回避しながら，任意の有効的なwを実現可能にする重力理論である。ここでは，この理論に基づいて宇宙背景輻射とバリオン音響振動の観測データを解析し，有効的なwを赤方偏移zの関数として再構築した結果を，5つの模型について示した。どの模型でも，zが0.5程度以上の初期宇宙において，有効的なw+1が負となることが示唆される。［Phys.Rev.D 112 （2025） 12, 123518より抜粋］