宇宙背景放射から見積もられる宇宙初期の揺らぎの小ささが示す不自然さとは

宇宙背景放射(CMB)が示す宇宙初期の揺らぎの大きさについて、なぜその値が不自然に小さいと感じられるのか、またその背後にある理論的な意味について解説します。ここでは、揺らぎを示す無次元の指標を用いて、揺らぎの大きさとその物理的な背景について理解を深めていきます。

1. 宇宙背景放射と揺らぎの関係

宇宙背景放射（CMB）は、ビッグバン後の膨張した宇宙から放射された微弱な放射線であり、現在も宇宙全体に均等に存在しています。この放射線は、宇宙の初期状態に関する重要な情報を提供し、特にスカラー曲率の揺らぎに関しては、宇宙初期の物理過程を理解する鍵となります。

2. 揺らぎの理論的な指標

揺らぎを示す無次元の指標（δR/R)|_τΛ では、インフレーション終了直前のスカラー曲率の揺らぎの大きさが示されています。この揺らぎは、量子重力理論に基づいたエネルギースケールや膨張率の比に依存しており、その式により、スカラー曲率の揺らぎが非常に小さな値（約10^-5）でなければならないことがわかります。

3. 不自然に小さい揺らぎの意味

揺らぎが非常に小さいということは、宇宙の初期における物質の分布が非常に均等であったことを示しています。しかし、この揺らぎの小ささは「不自然」と形容されることが多いです。その理由は、物理的にはある程度の揺らぎが発生することが予測されるため、その値が極めて小さいことは理論的に驚くべき結果です。この現象は、インフレーション理論の成功を裏付けるものであり、急速な膨張が宇宙の初期状態に均等性をもたらした可能性を示唆しています。

4. 宇宙インフレーションとその影響

インフレーションとは、宇宙の初期において極めて短期間で膨張が急激に進んだとする理論です。この膨張が、後に見られる小さな揺らぎを生み出したとされ、現在観測されるCMBの揺らぎはその証拠と考えられています。インフレーションによって、微小な揺らぎが全宇宙に均等に広がったことが、なぜ「不自然に小さい」と感じられるのかの根本的な理由です。

5. まとめ

宇宙背景放射から示される宇宙初期の揺らぎの小ささは、インフレーション理論の予測と一致しており、その理論的な背景における「不自然さ」は、宇宙が急速に膨張した結果として理解されます。これにより、初期宇宙の均等性が確立され、現在の宇宙の構造に至る重要な過程が明らかになっています。