高エネルギー加速器機構（KEK）などの研究グループが、宇宙創成直後の超高エネルギーの宇宙で作られた原始重力波の理論計算を劇的に簡単にする手法を確立した。これまで複雑な数値計算が必要だった理論模型でも、「分割宇宙アプローチ」を用いることで簡単な手計算で重力波を予言できるようになり、ビッグバンが起こる前の原始宇宙の謎の解明につながると期待されている。「Physical Review Letters」に掲載された。
宇宙ができる過程については、宇宙創成直後、「インフレーション」と呼ばれる急激な加速膨張を経てビッグバンが起こったと考えられている。この理論は、宇宙の観測を通して「原始密度揺らぎ」と呼ばれる原始宇宙の密度の濃淡を調べることで検証されてきたが、具体的に何が急激な加速膨張を引き起こしたのかは分かっていない。インフレーションを説明する理論模型は多く提案されており、各模型の理論的な予言と最新の観測を比較することでどの模型が正しいか検証できる。この検証で重要となるのが「原始重力波」だ。原始重力波は原始密度揺らぎと同様に原始宇宙で作られた時空のさざ波をいう。しかし、原始重力波を模型ごとに見積もる理論計算は非常に複雑であったため、これまでその理論研究は一部の簡単な模型に限定されていた。
原始重力波に比べ理論研究が進んでいる原始密度揺らぎについては、宇宙の空間分布をモザイクアートのように捉え直す「分割宇宙アプローチ」という簡単な計算方法が1990年代に確立され、幅広く用いられている。原始重力波の計算にも分割宇宙アプローチを応用するアイデアは以前からあったが、分割宇宙の隣同士の関係を互いに影響しないように適切に決めるのは、空間を歪ませる重力波の場合は非常に複雑で四半世紀以上に渡り実現していなかった。
今回研究グループは、隣同士の分割宇宙が影響してしまう原因を改めて見直した。2021年に同研究グループが発表した、隣同士の宇宙の関係性を拘束する条件を初期時刻でのみ正しく解いておけば、その後の時刻でも拘束条件は自動的に満たされるという論文に着目した。つまり、モザイクアートのピクセルを最初の時刻に正しく配置しておけば、その後は周りのピクセルの存在を忘れてピクセルごとの時間進化を追えばよいとひらめいた。
実際に、この方法でこれまで複雑な計算によって求められていた原始重力波の振幅が非常に簡単な計算で再現できることを示すことができた。
これにより、複雑な数値計算によらずに非常に簡単な計算で幅広いインフレーション模型を調べることが可能となった。創成直後の原始宇宙、そして原始宇宙と同様な超高エネルギーな世界の物理法則を解明することに繋がると期待される。
画像提供：高エネルギー加速器機構（冒頭の写真はイメージ）