プランク衛星が明らかにした宇宙成分比率：CMB異方性データからの決定方法
はじめに
宇宙を構成する主要な成分である、普通物質、ダークマター、ダークエネルギーの比率を正確に測定することは、宇宙論における最も重要な課題の一つです。これらの成分比率は、宇宙の進化の歴史や、その未来の姿を理解する上で不可欠な情報となります。特に、宇宙初期の情報を観測できる宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、これらの比率を決定するための強力なツールを提供します。本記事では、プランク衛星によって得られた高精度なCMB異方性データが、どのようにして宇宙の成分比率を明らかにしたのかについて解説します。
宇宙マイクロ波背景放射（CMB）とは
宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、約138億年前の宇宙誕生から約38万年後に放出された光の名残です。この時期、宇宙は高温高密度のプラズマ状態から冷え、電子と陽子が結合して中性原子が形成されました（宇宙の晴れ上がり）。これにより光子が物質から解放され、宇宙空間を自由に伝播できるようになりました。この当時の光が、宇宙の膨張によって引き伸ばされ、現在の約2.7ケルビンのマイクロ波として全天からほぼ均一に観測されています。
CMBは、宇宙がまだ非常に小さく、現在の構造が形成される前の初期宇宙の状態を直接的に映し出す「赤ちゃんの写真」とも言えます。そのため、CMBに含まれる微細な情報、特に温度のわずかなムラ（異方性）を解析することで、宇宙初期の物理条件や成分に関する詳細な知識を得ることができます。
CMB異方性とパワースペクトル
全天にわたるCMBの温度は非常に均一ですが、詳細に見ると10万分の1程度のわずかな温度のムラ（異方性）が存在します。この異方性は、宇宙初期にごくわずかに存在した密度のゆらぎが、その後の宇宙膨張と進化の過程で成長し、現在の銀河や銀河団といった大規模構造の種となった痕跡です。
このCMB異方性のパターンを解析するために、天球上の温度ゆらぎを球関数と呼ばれる数学的な関数を用いて展開し、それぞれの角スケール（空の広がり）におけるゆらぎの強さをプロットしたものを「パワースペクトル」と呼びます。パワースペクトルは、CMB異方性がどのくらいのサイズのムラで特に強いかを定量的に示しており、宇宙の組成や幾何学、進化史といった様々な宇宙論的パラメータに敏感です。特に、パワースペクトルに見られる特徴的なピーク構造（音響ピーク）の位置や高さ、形状は、宇宙初期のプラズマ中で発生した音波振動の名残を反映しており、この振動の性質が宇宙の成分比率と密接に関わっています。（図1：CMBパワースペクトルの概念図を参照）
パワースペクトルが語る宇宙成分比率
CMBパワースペクトルの形状は、主に以下の宇宙論的パラメータに依存します。
- 普通物質（バリオン）密度: パワースペクトルの奇数番目のピーク（特に第一ピークに対する第二ピークの高さ）は、普通物質の量に強く依存します。普通物質が多いほど、プラズマ中の音波振動における圧力と重力のバランスが変化し、ピークの相対的な高さが調整されます。
- ダークマター密度: パワースペクトルの偶数番目のピーク（特に第二ピーク）は、主にダークマターの量に影響されます。ダークマターは重力のみを介して相互作用するため、音波振動には直接関与しませんが、重力ポテンシャルを形成し、振動の振幅に影響を与えます。ダークマターが多いほど、重力的なポテンシャル井戸が深くなり、音波の圧縮フェーズ（ピーク）と希薄フェーズ（谷）のコントラストが増強されます。特に第一ピークの高さは主にダークマター量によって決まります。
- 宇宙の曲率（全エネルギー密度）: 第一ピークの位置は、宇宙の幾何学、すなわち空間が平坦か、開いているか、閉じているかを示します。ΛCDMモデルにおいては、これは宇宙の全エネルギー密度に対応します。CMB観測は、宇宙が非常に高い精度で平坦であることを強く支持しており、これは全エネルギー密度が臨界密度にほぼ等しいことを意味します。全エネルギー密度は、普通物質、ダークマター、ダークエネルギーの密度の合計であるため、他の観測と組み合わせることでダークエネルギーの比率を制約する重要な情報となります。
プランク衛星の貢献と最新の比率
欧州宇宙機関（ESA）が運用したプランク衛星は、WMAP衛星に続くCMB観測ミッションとして、史上最高精度の全天CMBマップを提供しました。2009年から2013年にかけて取得されたプランクのデータは、CMB異方性のパワースペクトルをこれまでにない精度で詳細に描き出しました。特に、高い角分解能での測定能力により、パワースペクトルの高次のピークまで明確に捉えることが可能となり、宇宙論的パラメータの決定精度を飛躍的に向上させました。
プランク衛星の最終的なデータ解析に基づくと、ΛCDMモデルの枠組みにおいて、現在の宇宙のエネルギー成分比率は以下のように決定されています（代表的な数値であり、最新のデータリリースや解析によって微細な数値は変動し得ます）。
- 普通物質（バリオン）: 全エネルギーの約 4.9 %
- ダークマター: 全エネルギーの約 26.8 %
- ダークエネルギー: 全エネルギーの約 68.3 %
これらの数値は、プランクのCMBデータが単独で強く制約するパラメータと、他の宇宙論的観測（例：バリア音響振動スケール、Ia型超新星による距離測定）と組み合わせて制約されるパラメータを統合して得られたものです。CMBデータは特に普通物質とダークマターの物理密度に強い感度を持ちますが、宇宙の幾何学が平坦であるという知見と組み合わせることで、ダークエネルギーの存在とその比率も間接的に強く支持しています。
今後の展望
プランク衛星によるCMB観測は、標準的なΛCDMモデルのパラメータを高精度で決定し、宇宙論の現在の理解を強固なものとしました。しかし、ハッブル定数の測定値におけるCMBベースの推測値と近傍宇宙の直接測定値との間に見られる不一致（ハッブルテンション）など、未解決の課題も残されています。
CMB研究は今後も続き、さらなる高精度観測や異なる観測手法との統合解析を通じて、これらの謎に迫ることが期待されます。また、CMBの偏光データは、宇宙初期のインフレーション理論やニュートリノ質量などの他の宇宙論的パラメータに敏感であり、宇宙成分比率の決定精度をさらに向上させる可能性を秘めています。
まとめ
プランク衛星によるCMB異方性の高精度観測は、宇宙の普通物質、ダークマター、ダークエネルギーの成分比率を決定する上で画期的な成果をもたらしました。CMBパワースペクトルの詳細な解析を通じて、宇宙初期のプラズマ振動の痕跡からこれらの比率を読み解くことが可能となり、現在の標準的な宇宙モデルであるΛCDMモデルの根幹をなすパラメータが確立されました。今後もCMBを含む様々な宇宙論観測が進められ、宇宙の構成要素に関する私たちの理解はさらに深まっていくことでしょう。
（図1：CMBパワースペクトルの概念図 - ※図は後から挿入されます）
【参考文献】 * Planck Collaboration papers (ESA Planck mission websiteなどを参照) * 宇宙論に関する標準的な教科書（例：Peacock, Scott Dodelsonなど）