宇宙の形を求めて――数十年の観測から浮かぶ新しい宇宙像
宇宙が本当に無限に広がった平らな空間なのか、それとも閉じたループを持つ環状体のような形をしているのか。宇宙の大規模な構造や接続性を表す「宇宙トポロジー」の謎に、天文学者たちが本格的に取り組み始めた。長距離を旅する宇宙船が同じ方向へ進み続けると、やがて出発点に戻ってくる可能性もある――そのような仮説さえ生まれている中、ロンドン大学インペリアル・カレッジの宇宙論・天体物理学教授アンドリュー・ジェイフ氏によれば、もし一直線の物理的経路が存在すれば出発地点には戻れたとしても、出発した時点には戻れないという。宇宙船が元の時間と空間の両方に戻ってしまえば、それは「閉じた時間曲線」、つまりタイムマシンになってしまう。
現在の標準的な見方は、宇宙があらゆる方向に無限に広がった平らな構造だとするものだ。だが宇宙トポロジーは、この根本的な仮説の一部、あるいはすべてを覆す可能性を秘めている。
微弱な痕跡を宇宙マイクロ波背景放射に探る
2026年に学術誌『ネイチャー・アストロノミー』に発表された論文では、トポロジーの特徴は「縮み込む可能性のない閉じたループ」で定義されると指摘されている。十分に遠くまで進めば、その経路をたどって出発点へ戻ってくるという性質だ。こうした宇宙トポロジーの証拠は、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）に微弱なシグネチャーとして刻み込まれるはずだとジェイフ氏らは述べる。CMBは現在観測可能な宇宙の最も古い光であり、ビッグバン後およそ38万年後に物質と最後に相互作用した光を表している。
CMBの観測は1960年代から続いているが、トポロジーを示すパターンを検出するほどの感度を備えるようになったのは2000年代初頭以降のことだ。宇宙トポロジー研究の現代的な幕開けは1990年代後半で、CMBのパターンを使ってトポロジーを探索できることが認識されたのがきっかけだという。2000年代半ばのWMAP衛星からのデータや、2010年代のさらに高精度なデータによって大きな進展があった。しかし最近数年間はデータの改善が停滞している状況にある。
国際研究グループが本格的な理論構築へ
こうした状況の中、ジェイフ氏と同僚たちは最近、「観測・モデル・異常現象および宇宙トポロジーの予測に関する協力」を意味するCOMPACT（コンパクト）という研究グループを立ち上げた。現在約20人の国際的な科学者で構成されるこのグループは、宇宙トポロジーという問題に専門的に取り組む組織だ。COMPACTの活動を通じて、宇宙を説明する可能性のあるトポロジーについて、完全な数学的理論と詳細へと進展させることができているとジェイフ氏は述べている。
CMBの表面上の異常を調べるだけではなく、実際の三次元的な宇宙地図が得られれば、宇宙トポロジーの特定に向けて大きな前進となるだろう。つまり、最高の望遠鏡で観測可能なガス・銀河・銀河団といった物質の分布を三次元的に把握することだ。こうした物質の適切な三次元地図があれば、宇宙のトポロジーについてより豊かな情報、あるいは得られうるすべての情報さえ手に入る可能性があるとジェイフ氏は指摘する。
トポロジーが存在する場合の決定的な証拠は、空間的に離れた二つの領域が実は接近しているという「同一視」の存在だ。最も単純な場合、それは繰り返されるパターンになる。CMBならば、空の一側に見られる円が、はるか彼方の円とまったく同じパターンを示すといった現象だ。ジェイフ氏は三次元トーラス（ドーナツのような環状体）に例えている。ドーナツのチューブを貫く円形のループが存在するように、こうした経路の存在が我々の探すトポロジーを示唆していると説明する。
銀河団レベルでも、宇宙の反対側にある銀河団が鏡像関係にある兆候が存在する可能性があるが、そうした現象の観測は困難だとみられる。
出典: Universe Today
