暗黒エネルギーは弱まっているのか(DESIのw₀とwₐ)

Is dark energy weakening? DESI and the parameters w0 and wa

いつも−1のはずの数が、2024年から動いて見え始めた。

暗黒エネルギーの圧力とエネルギー密度の比wを2つの数で表す式。DESIはw₀>−1、wₐ<0の向きを指すが、差は再解析で3σ台に集まり、結論は出ていない。

年代
2001年(式の形)・2024年(DESIの最初の結果)
習う
大3以上・相対性理論・宇宙論
レベル
大学(例題 6 問)
人物
アルベルト・アインシュタイン、ジョルジュ・ルメートル、M. シュヴァリエ、D. ポラルスキ、エリック・リンダー
作成日
更新日
執筆・監修
佐々木 航
逸話

いつも−1のはずの数

−1。宇宙の膨張を加速させる暗黒エネルギーの圧力を、エネルギー密度で割った数は、アインシュタインの宇宙項なら、どの時代でもこの値から動かない。

ところが2025年3月、銀河の3次元地図を作る国際共同研究DESIは、が時間とともに変わると考えたほうが測定に合うと発表した。変わらないとする標準宇宙モデル(ΛCDM)に比べ、超新星データと組み合わせて2.8〜4.2σの差がついたのである。σは、差が偶然のゆらぎで出にくい度合いを標準偏差の何倍かで表す数だ。暗黒エネルギーが今は弱まりつつある、とも読める結果だった。

メイヨール望遠鏡とDESI(画像生成 AI で描いたイメージ)
メイヨール望遠鏡とDESI2021年(DESIの観測開始)約5,000本の光ファイバーで銀河の赤方偏移を測り、宇宙の3次元地図を作る画像生成AIで描いたイメージ

では、本当に弱まっているのか。2026年11月現在の答えは「まだ決まっていない」だ。その後の超新星の再解析とDESIの追加の測定で、差は3σ台に集まった。物理で発見の目安とされる5σには届いていない。

しかも、数字をよく見ると奇妙なことに気づく。2026年7月の解析でがいちばん正確に決まった時代は赤方偏移、今から約37億年前である。その値はで、−1とのずれは誤差より小さい。

動いて見えるのはの高さではなく、傾きなのである。

その傾きを表す数が、今の値がだ。たった2つの数なのに、組む超新星の違いで差は2.8σにも4.2σにもなった。なぜそんなに動いたのだろうか。

起源

真空の圧力から2つの数へ

−1には理由がある。

1917年、アインシュタインは宇宙が膨らみも縮みもしないように、アインシュタイン方程式に宇宙項を足した。

アルベルト・アインシュタインの肖像(Einstein 1921 by F Schmutzer - restoration)
アルベルト・アインシュタイン1879–1955特殊・一般相対性理論をつくり、光の量子の考えを示した出典: Wikimedia Commons・Ferdinand Schmutzer / Adam Cuerden・Public domain

この項を真空のエネルギーとして読み直したのがジョルジュ・ルメートルである。1934年の論文でルメートルは、真空がエネルギー密度を持つなら、真空から見た運動が検出されないように、圧力を結びつけなければならないと書いた。どの速さで動く人にも同じに見える真空は、圧力とエネルギー密度の比が−1のときに限られる。は測定に合わせた値ではなく、真空に速度は無いという要請から出た値だった。

ジョルジュ・ルメートルの肖像(Lemaitre)
ジョルジュ・ルメートル1894–1966一般相対性理論から宇宙の膨張を導いた司祭の物理学者出典: Wikimedia Commons・unknown photographer, probably a CalTech employee. Cropped by Artistosteles・Public domain

真空のエネルギーが観測の問題になったのは1998年である。ソール・パールムッターらと、ブライアン・シュミットやアダム・リースらの2チームは、遠くのIa型超新星が予想より暗いことから膨張の加速を見いだし、2011年のノーベル物理学賞を受けた。同じ1998年、マイケル・ターナーらは投稿した論文で、負の圧力を持つこの成分を「暗黒エネルギー」と呼んでいる。問いは「は本当に−1なのか」に変わった。

では、が変わるとしたら、どんな関数で書けばよいのか。2001年の論文でM. シュヴァリエとD. ポラルスキは、をスケール因子の1次式で置いた。は今を1とする宇宙の大きさで、小さいほど昔を指す。2人はこれを「単純なトイモデル」と呼び、が−1を下回る場合まで調べた。しかし結論は悲観的で、赤方偏移1までの距離を測るだけでは、が大きく変わっても見分けにくいという。

2003年、エリック・リンダーが同じ形を「新しい、有利なパラメータ化」として提案した。それまでのは、赤方偏移が大きいほど際限なく増える。の1次式なら過去のはに収まり、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)まで積分しても破綻しない。3人の名をとったCPLパラメータ化である。DESIの論文も、物理モデルから直接出た式ではなく、多くのモデルの観測量をまねられる柔軟な式だと断っている。

もう1つの材料は物差しだ。晴れ上がりの前の宇宙では、光子とバリオンが音波を伝えていた。その音波が止まるまでに進んだ距離は、銀河の分布に約147 Mpcの間隔として残る。2005年にダニエル・アイゼンスタインらが46,748個の銀河から検出した、バリオン音響振動(BAO)である。

DESIはこの物差しを広い空で測る分光器だ。米国アリゾナ州キットピークのメイヨール4 m望遠鏡に、5,020本の光ファイバーをロボットで動かす焦点面を載せ、2021年5月に観測を始めた。

くさび形の金属板が円く並び、細い円筒の機構が蜂の巣のように詰まって、先端が青く光っている(画像生成 AI で描いたイメージ)
焦点面に並ぶ約5,000本の光ファイバーのロボット(様子を想像して描いた)画像生成AIで描いたイメージ

最初の1年分、600万個超の天体を使った2024年4月の結果で、かつの向きが2.5〜3.9σで現れる。3年分、1,400万個超の2025年3月の結果では2.8〜4.2σになった。超新星を使わず、DESIとCMBだけでも3.1σある。

証明

密度から距離へ解く

そのものは観測できない。測れるのは距離で、は膨張の速さを変えることで距離に効く。は暗黒エネルギーの密度、はハッブルパラメータで、と赤方偏移はで結ばれる。

  1. 大きさの箱の体積に、熱力学第一法則を使う。

  2. を入れて整理する。

  3. 密度が一定なら右辺は0である。

  4. 式を入れて、今からまで積分する。

  5. 積分を実行する。

  6. 手順2の右辺が0になるを解く。なら、密度はここで山になる。

DESIが指す、の組では、は過去に−1より小さく、今は−1より大きい。手順2のとおり、の時代の密度は膨張とともに増え、になると減り始める。つまり「弱まっている」とは、この山を越えたあとの下り坂を指す。膨張しても薄まらず濃くなるの状態はファントムと呼ばれ、スカラー場1つのモデルでは説明が難しい。

  1. 平坦な宇宙のフリードマン方程式に入れる。は今の物質の割合で、放射はでは小さい。

  2. 視線方向の距離と、視線に垂直な方向の距離を定義する。

  3. 物差しを2つの向きから見る。空の上の角度と、赤方偏移の幅が測れる。

    同じ長さの物差しを、視線に垂直な向きでは角度として、視線方向では赤方偏移の幅として測る。
  4. 2つをまとめた平均の距離も使う。

DESIが直接出すのはやという比で、の長さもも単独では決まらない。そこにCMBが入る。CMBは初期の物質密度からを0.2%で決め、音響ピークの角度で晴れ上がりまでの距離をほぼ固定する。だから途中の距離を動かす自由は小さい。論文によると、が−1を横切る必要も、その赤方偏移も、この要請と物質の割合で決まる。

ただし、この式のを1より先へ延ばしてはいけない。ではとなり、、ならで、膨張を加速しなくなる。式は観測した範囲の要約で、未来の予言ではない。

途中の計算

2つの数を手で読む

DESIのBAOとCMB、Dark Energy Survey(DES)の超新星を合わせた2026年7月の推定値、、を入れる。

  1. を横切るを出す

  2. 赤方偏移に直す

  3. 山の高さの指数の前半を出す

  4. 指数の後半を出す

  5. 足して指数関数に戻す

今の密度は、山より約8%低い。論文のとで積分すると、山は約42億年前になる。この組の「弱まっている」の中身は、42億年かけて8%なのである。それより前のの時代には、密度はむしろ増えていた。もっとも、には±0.20の誤差があり、この8%にも幅がある。

最初に挙げた−0.981も、同じ式から出る。

  1. 論文が示す、つまりを入れる

論文のと、丸めの範囲で合う。とはそれぞれ誤差の3.3倍も−1と0から離れているのに、この時代のは誤差の1倍も離れていない。2つの誤差が強く相関していて、の誤差が最も小さくなる時代があるからだ。このをピボットと呼ぶ。

ピボットのとは互いに独立に動くので、ずれを誤差で割って2乗すれば、ΛCDMとの隔たりの内訳が見える。高さは、傾きはで、差のほとんどは傾きが担う。もっとも、これはをの1次式と置いたときの読み方である。ピボットがに近いのでが−1に近く出るのは予想どおりだと、論文も書く。2025年3月のDESの組ではで、高さのずれも誤差の1.9倍あった。

σの数字も自分で出せる。はモデルと測定のずれを誤差で割って2乗した和で、小さいほどよく合う。ΛCDMは、という特別な場合なので、これが正しければ、2つの数を足して下がる量は自由度2の分布に従う。

  1. 自由度2の裾確率を書く

  2. 2026年7月のを入れる

  3. 正規分布の両側の確率と等しくなるを解く

    −Δχ²の値を、σに換算した目盛りと並べる。論文の表の4つの値が2.8σから4.2σに当たり、5σまでは−Δχ²が29近く要る。

同じ計算で、、、は2.8σ、3.8σ、4.2σになる。論文の表は電卓で再現できるのだ。より小さくなるのは、数を2つ足したぶんの割引である。

応用

4.2σが3.4σになるまで

2025年3月の数字に幅を生んだのは超新星だった。同じBAOとCMBでも、足す標本がPantheon+なら2.8σ、Union3なら3.8σ、DESの5年分なら4.2σになる。UnionとPantheon+は超新星の75%以上を共有しているのに、この開きである。

2024年8月、ケンブリッジ大学のジョージ・エフスタシューは、DESの標本とPantheon+に共通する超新星を比べ、近くと遠くの間に約0.04等のずれを見つけた。距離にして1.9%で、DESIで最も精度の良い点の誤差0.46%の4倍にあたる。DESのチームは、ずれの大半は解析手法の違いから来ると応じた。

暗い宇宙に斜めに傾いた渦巻銀河が浮かび、その外縁に白い光の点が1つ強く輝いている(画像生成 AI で描いたイメージ)
遠い銀河の端に現れたIa型超新星(様子を想像して描いた)画像生成AIで描いたイメージ

それでも2025年11月、DESは標本を解析し直した。B. ポポヴィッチらは白色矮星の観測を加えて望遠鏡どうしの明るさの目盛りを合わせ直し、超新星の明るさの変化を表す光度曲線モデルも訓練し直した。すると超新星だけで出すは0.022下がり、4.2σは3.2σに落ちる。途中で入力ファイルの誤りも見つかった。9つの項の重みがではなく0.3に丸められ、2乗の和が1ではなく0.81になっていて、測光の不確かさを約20%小さく見積もっていたという。論文はこの結果を「弱い」支持と呼び、ベイズの計算ではモデルのオッズが約5対1だと書く。

2026年1月には、T. ホイトらがUnion3の約2,000個について母銀河の質量を同じ方法で測り直した。近い超新星で、Union3は質量を多めに、Pantheon+は少なめに見積もっていたという。2つの標本の平均距離指数の差は、0.03等超から0.01等へ縮んだ。

再解析といっても、差が一方的に縮んだわけではない。DESIの2025年の解析と同じ条件で計算し直すと、DESは4.2σから3.4σへ、Unionは3.8σから3.4σへ下がったが、Pantheon+は2.8σから3.2σへ上がった。変化の兆しが消えたのではなく、ばらつきが真ん中に集まったのだ。

2026年7月にはDESI自身の測定も加わった。遠いクエーサーの光には、途中の水素ガスが吸収線の並びを刻む。このライマンα森の形からの宇宙の縦横比を1%で測ると、更新したCMBと合わせた差は3.2σから2.7σへ下がり、超新星を足すと3.0〜3.5σになる。

ただし、σの元になるは「ΛCDMが正しい確率」ではない。ΛCDMが正しいと仮定して、これ以上の改善が統計のゆらぎで出る確率である。しかもには、誤差の見積もりそのものの誤りは入らない。超新星の話は、式の外にあった誤差がσを0.8も動かした例だった。

例題と解説

係数を入れてσまで出す

例題 1基本過去のwを求める

、のとき、のと、遠い過去の極限のを求めよ。

解説を見る

はなのでである。ではになる。

例題 2基本物差しが見える角度

の測定値は、で13.588、で38.988である。物差しが空で占める角度を度で求めよ。

解説を見る

なので次のとおり。

満月の視直径0.5°の約8倍と約3倍にあたる。

例題 3入試横切る時代をそろえて比べる

2025年3月の3組、、について、を横切る赤方偏移を求めよ。

解説を見る

に入れると、、、となる。より次の値を得る。

3組のは2倍近く違うのに、横切る時代はほとんど変わらない。

例題 4大学5σに要るΔχ²

自由度2の裾確率をとする。(1)のを求めよ。(2)両側5σの確率に届くを求めよ。

解説を見る

(1)で、両側の4.2σに当たる。

(2)両辺の対数をとる。

例題 5大学0.04等は距離で何%か

距離指数はである。が0.04ずれると、距離は何%ずれるか。0.01のときも求めよ。

解説を見る

を解く。

1.86%と0.46%で、0.01等の目盛り合わせがDESIで最も精度の良い点の誤差に等しい。

例題 6大学山より前の密度

、のとき、のを求めよ。

解説を見る

、である。

山の手前のでは、密度は今とほぼ同じになる。

図示

線は集まり、点は一列に並ぶ

2024年4月から2026年7月までの差をσで並べた図。2025年3月に開いた3本の線が2026年1月に3.2〜3.4σへ集まる。2026年7月はDESIのライマンαの測定が加わり、CMBの組み合わせも変わっている。
横軸w₀、縦軸wₐの平面。白が2025年3月、黒がそのあとの再解析と更新で、四角は超新星を使わない組。点線はz = 0.41でw = −1になる組の線で、どの点もこの線のそばに並ぶ。

どの組も、との値はばらばらに見えて、点線のそばから離れない。違うのは傾きの大きさで、が−1を横切る時代は〜0.5の幅に収まる。超新星の再解析が動かしたのは、主にこの線に沿った位置だった。

シミュレーション

つまみでDESIの7点に合わせる

点はDESIの7つの測定で、0の線はCMBだけで決めたΛCDMである。ΛCDMのまま最も合わせた破線は、の点から外れて通る。「DESI+CMB」を押すと線が点に沿って曲がり、は16.2から7.2へ下がる。「縦D_H」に替えると、と0.7の2点の低さがよく見える。

計算は簡略にしてある。はCMBの角度が保たれるように解き、バリオンの量は固定し、物質の量だけをCMBの幅の中で動かした。それでも最良の組は、で、論文の推定値、に近い。は−9.0で、論文の−8.0より少し大きく出る。

「超新星も足す」の組では差が−6.0にとどまる。このに超新星の項は入らず、超新星がを0の側へ引いた組をBAOだけで測り直しているからだ。

右下は膨張の速さで、谷が減速から加速への切り替わりにあたる。ΛCDMでは今も上がり続けるが、DESI+CMBの組では今に近づくと頭打ちになり、わずかに下がる。触らないあいだは3つの組を順に回り、触ると止まる。

広がる学問

測定が理論を絞る場所

  • 天文学 銀河の3次元地図から膨張の歴史を読むときに、赤方偏移ごとのとを使う。同じ積分から超新星の光度距離も計算できるので、2つの測定を1本ので比べられる。
  • 物理学 暗黒エネルギーの正体の候補を絞るときに、の履歴をモデルの予言と比べる。を保つモデルは−1を横切れないので、横切る形が確かになれば、より複雑なモデルや重力の修正が要る。DESIの補助論文は、横切らないモデルは不利だが、まだ排除はできないと書く。
  • 数学 入れ子になったモデルを比べるときに、が自由度2の分布に従うというウィルクスの定理で確率を出す。前提は誤差が正規分布で正しく見積もられていることで、同じデータでもベイズの比較は事前分布に左右される。
いまの研究と事業

2027年の結果の前に

  • 2026年DES共同研究(フェルミ国立加速器研究所など): 全6年のデータから超新星、BAO、弱い重力レンズと銀河の分布を束ね、、を得た。単独では2.2σで、DESIのBAOとCMBを足すと3.0σになる。超新星を外しても2.6σ残り、測光の目盛り合わせによらない確認になった。(出典: Constraints on Dynamical Dark Energy from Multiple Probes in the Full Dark Energy Survey)
  • 2026年DESI国際共同研究(ローレンス・バークレー国立研究所など): ライマンα森の相関関数の全形から、のを1%で測った。物質が支配する時代での式を外側から試す測定で、モデルの予測と約2σずれた。銀河とクエーサーの全形解析はこれからである。(出典: DESI DR2 Results IV)
  • 2026年DESI(5年分の地図): 2026年4月に当初の計画を終えたと発表した。予定の3,400万個を超える4,700万個超の銀河とクエーサーを観測した。との5年分の結果は2027年に出始める見込みで、観測は2028年まで続く。(出典: ポーツマス大学の発表)
  • 2025年〜 すばる望遠鏡PFS(東京大学カブリIPMU、国立天文台など): 約2,400本のファイバーで3次元の宇宙地図を作り、その時間変化から暗黒エネルギーの性質を調べる計画で、約5年で360夜を使う。DESIとは別の装置での問いに挑むことになる。(出典: Kavli IPMUの発表)

次に見る数字はである。5年分の結果で−28.7へ近づくのか、−10のあたりへ戻るのか。DESIの執行委員でもあるUCLのオフェル・ラハブは、確かめられれば「宇宙の理解のパラダイムシフトになる」と言う。−1が動いたのかどうかは、まだ測定の途中にある。

参考文献

  1. DESI Collaboration, "DESI DR2 results. II. Measurements of baryon acoustic oscillations and cosmological constraints", Phys. Rev. D 112 (2025), 083515. arXiv:2503.14738(測定値はTABLE IV、Δχ²はTABLE VI、初期の宇宙の値はAppendix A)
  2. DESI Collaboration, "DESI DR2 Results IV: Alcock-Paczyński measurements from the Lyman alpha forest and cosmological constraints" (2026). arXiv:2607.27410(記事の3.2σは論文の要旨、第VI章、TABLE IVの値。結論の節だけ「3.4σから3.1σへ」とあるが、Δχ²=−12.9から計算すると3.2σになる)
  3. DESI Collaboration, "DESI 2024 VI: cosmological constraints from the measurements of baryon acoustic oscillations", JCAP 02 (2025), 021. arXiv:2404.03002
  4. M. Chevallier, D. Polarski, "Accelerating universes with scaling dark matter", Int. J. Mod. Phys. D 10 (2001), 213-223. arXiv:gr-qc/0009008
  5. E. V. Linder, "Exploring the expansion history of the universe", Phys. Rev. Lett. 90 (2003), 091301. arXiv:astro-ph/0208512
  6. G. Lemaître, "Evolution of the expanding universe", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 20 (1934), 12-17. 文面はC. O'Raifeartaighほか, "One hundred years of the cosmological constant", Eur. Phys. J. H 43 (2018), 73-117の引用で確認(arXiv:1711.06890)
  7. G. Efstathiou, "Evolving dark energy or supernovae systematics?", Mon. Not. R. Astron. Soc. 538 (2025), 875-882. arXiv:2408.07175
  8. B. Popovicほか, "The Dark Energy Survey Supernova Program: a reanalysis of cosmology results and evidence for evolving dark energy with an updated type Ia supernova calibration" (2025). arXiv:2511.07517
  9. T. J. Hoytほか, "Union3.1: reducing systematics in supernova cosmology with self-consistent measurements of host galaxy properties for 2000 type Ia supernovae" (2026). arXiv:2601.19424
  10. K. Lodhaほか, "Extended dark energy analysis using DESI DR2 BAO measurements" (2025). arXiv:2503.14743
  11. D. J. Eisensteinほか, "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies", Astrophys. J. 633 (2005), 560-574. arXiv:astro-ph/0501171
  12. A. G. Riessほか, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant", Astron. J. 116 (1998), 1009-1038. S. Perlmutterほか, "Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae" (1999). arXiv:astro-ph/9812133
  13. D. Huterer, M. S. Turner, "Prospects for probing the dark energy via supernova distance measurements", Phys. Rev. D 60 (1999), 081301. arXiv:astro-ph/9808133
  14. UCL「Five-year mission maps 47 million galaxies and quasars」(2026年4月15日)

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この記事は、人が監修しながらAIを活用して執筆した。執筆・監修: 佐々木 航(株式会社Game)。

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