Λ-CDMモデル

Λ-CDMモデル

宇宙論において、最も広く受け入れられている標準的なモデルとして知られるのが「Λ-CDMモデル」（ラムダシーディーエムモデル）です。この名称は、モデルの主要な構成要素である「宇宙項 Λ (ラムダ)」と「冷たい暗黒物質 (Cold Dark Matter, CDM)」に由来しており、「Lambda-Cold Dark Matter Model」とも表記されます。しばしば Λ-CDM や LCDM と略記されます。

このモデルの根幹をなす概念の一つが「暗黒物質」の存在です。宇宙に存在する物質の中で、光や電磁波をほとんど放出しないため直接観測が困難な、未知の物質が仮定されています。暗黒物質の存在は、様々な宇宙観測から強く示唆されています。例えば、銀河の中心部と外縁部がほぼ同じ速度で回転しているという観測事実は、見える物質だけでは説明が困難です。また、銀河が集まってできた銀河団や銀河群の運動を詳しく調べると、そこに重力的な影響を与えている物質の総量が、可視光で捉えられる星やガスだけでは計算が合わないことが明らかになりました。これらの観測的な「アノマリー」を解決するために、重力的な影響を持つものの、観測にかからない暗黒物質が存在すると考えられるようになったのです。

さらに、暗黒物質の性質についても理論的な考察が進められています。元素がどのように合成されたかという理論（元素合成理論）に基づくと、暗黒物質の主成分は、ブラックホールや褐色矮星のような通常の物質でできた暗い天体ではないことが示されています。また、暗黒物質は、電磁力や強い力といった重力以外の相互作用をほとんどせず、通常の物質（バリオン物質）とは非常に弱い力でしか影響し合わない、いわゆる「非バリオン的」な物質であると考えられています。

暗黒物質を構成する粒子の性質も、宇宙の観測事実を説明する上で重要です。もし暗黒物質がニュートリノのような非常に軽い（相対論的な速度で運動する「熱い」）粒子で構成されていると仮定すると、宇宙の初期に存在した密度ゆらぎが成長して、現在見られるような銀河や銀河団といった「大規模構造」を形成する過程をうまく説明できません。これに対し、暗黒物質がアクシオンやニュートラリーノといった、比較的重い（非相対論的な速度で運動する「冷たい」）粒子でできていると仮定すると、初期宇宙のゆらぎから大規模構造が形成されていく様子を、現在の宇宙の観測と整合的に説明することが可能になります。このため、Λ-CDMモデルでは「冷たい」暗黒物質が採用されています。

Λ-CDMモデルのもう一つの重要な要素が「宇宙項 Λ」です。アインシュタインの一般相対性理論において導入されたこの宇宙項をモデルに加えることで、宇宙が加速膨張しているという現代宇宙論における主要な観測事実を含む、多様な宇宙の振る舞いを説明することが可能になりました。

Λ-CDMモデルは、これらの要素を組み合わせることで、宇宙マイクロ波背景放射の観測データ（例えばWMAP衛星による観測）や、Ia型超新星を用いた宇宙膨張の歴史の測定、大規模構造の観測など、様々な独立した観測結果を高い精度で説明することに成功しています。現在の宇宙の組成がおよそ暗黒エネルギー約68%、暗黒物質約27%、通常の物質約5%であるという、いわゆる「標準的な宇宙モデル」の枠組みを提供しており、現代宇宙論研究の出発点となっています。

Λ-CDMモデルは多くの観測データを説明する強力なモデルですが、暗黒物質や宇宙項（しばしば暗黒エネルギーとして解釈される）の物理的な正体そのものは、いまだに物理学上の未解決問題です。Λ-CDMモデルは宇宙の進化のシナリオをよく記述しますが、その構成要素の物理的な起源については、今後の研究が待たれています。

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