私たちが現在見ている複雑な構造は、過去にはもっと小さく、もっと熱く、もっと密度が高く、もっと均一な状態から生じたものである。 現在の加速膨張の段階を推進しているのは、既知の物質や放射線を超えた、何か新しい形のエネルギーであるに違いない。 C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

物質とエネルギーは時空に曲がる方法を伝え、曲がった時空間は物質とエネルギーに動く方法を伝える。 これは一般相対性理論の基本的なルールであり、宇宙そのものを含む宇宙のあらゆるものに適用される。 1990年代後半、私たちは宇宙の遠方にある銀河から十分なデータを集め、銀河は単に私たちから遠ざかっているだけでなく、後退の速度が速くなっていると結論づけました。 見かけの膨張率（Y軸）対距離（X軸）のプロットは、過去に速く膨張した宇宙が、現在も膨張し続けていることと矛盾しません。 これは、ハッブルの最初の研究より何千倍も遠い、現代版です。 7604> 距離(x軸)は、過去に速く膨張した宇宙と一致していますが、現在も膨張し続けています。 これは、ハッブルの原著の何千倍もの距離を伸ばした現代版と言えるでしょう。 点が一直線になっていないことに注意。これは、膨張率が時間とともに変化していることを示している。 ネッド・ライト、ベトゥールらの最新データに基づく（2014年）

唯一の説明は、物質とエネルギーの観点から、宇宙にはこれまで結論付けてきた以上のものがあるはずだということでした。 私たちが住んでいるような膨張する宇宙では、物質とエネルギーによって決まるのは単に曲率ではなく、膨張率が時間とともにどのように変化するかということなのです。 20年前まで私たちが知っていた宇宙の構成要素は、通常の物質、暗黒物質、ニュートリノ、そして放射線でした。

加速の観測は、そこに他の何かが存在すること、そしてそれが単に存在するだけでなく、支配的であることを意味しました。

太陽系の惑星と太陽によって引き起こされる空間の曲率は、宇宙船や他の観測所が行う観測において考慮されなければなりません。 一般相対性理論の影響は、たとえそれが微妙なものであっても無視することはできないのだ。 NASA/JPL-Caltech, for the Cassini mission

物理的には、一般相対性理論で起こることは、宇宙の布自体が、その中にかたまり、集まっている物質に応じて正または負に湾曲するということです。 地球のような惑星や太陽のような星は空間の布をゆがませ、より高密度で質量の大きい物体は空間をより厳しく湾曲させます。

一方、宇宙に多くの質量があり、それがほぼ均等に広がっている場合、時空全体が地球規模の重力効果を感じることになります。 宇宙が膨張していなければ、重力はすべてを一点に崩壊させるだろう。 しかし、宇宙が膨張していないということは、何かがその崩壊を防いでいるのだと即座に結論づけることができます。 何かが重力を打ち消しているか、宇宙が膨張しているかのどちらかです。

は膨張する宇宙とビッグバンの図式を支持している。 入力パラメータが少なく、観測に成功し、その後に検証された予測が多いことは、成功した科学理論の特徴の一つである。 フリードマン方程式は、そのすべてを記述している。 NASA / GSFC

ビッグバンという考え方は、まずここから来ています。 もし私たちが、あらゆる場所、あらゆる方向、近・中・遠の距離に、ほぼ同量の物質を見たならば、それらをすべて引き寄せようとする非常に大きな重力が存在するはずだということがわかります。 宇宙はまだ再崩壊していない（再崩壊の途中でもない）ので、重力が間違っているか、宇宙が膨張しているかの2つの選択肢しか残されていません。 特に、宇宙が物質と放射線で満たされている場合、最初の膨張があれば、宇宙は現在、

• 膨張し、
• 冷え、
• 密度が下がり、
• 赤方偏移した光にあふれ、
• 過去には高温で密度が高かったと考えられるため、そのようになる可能性もある。

高温で密度が高く、膨張しながらも物質とエネルギーで満たされて生まれた宇宙は、今日の我々の宇宙の姿に非常によく似ているでしょう。

イラストはすべて、物質とエネルギーが初期膨張率に逆らって戦う宇宙に対応している。 我々の観測する宇宙では、これまで説明のつかないある種の暗黒エネルギーによって宇宙加速が起こっている。 これらの宇宙はすべて、フリードマン方程式によって支配されている。 E. Siegel / Beyond the Galaxy

急激な膨張が始まり、重力が働いて物事を元に戻そうとします。 宇宙が時間とともにどのように進化するかについて、3つの可能性があると考えさせられます：

1. 重力に勝つ。 宇宙はまず急速に膨張するが、十分な重力があるため、最終的には物事を元に戻す。
2. 重力と膨張が引き分け。 最初の膨張と重力は互いに正確に打ち消しあう。 宇宙にもう1つ陽子があれば、再崩壊するはずだが、その陽子はない。 その代わり、膨張率はゼロに漸近し、遠くの銀河はますますゆっくりと後退するだけである。 急激な膨張は重力によって打ち消されるが、十分ではない。 時間とともに、銀河は互いに遠ざかり続け、重力によって膨張は遅くなるが、決して止まらない。

しかし、実際に観測されるのは4番目のものだ。 最初の数十億年間は宇宙がその「臨界」経路上にあるように見えたのに、突然、遠くの銀河が互いに速く後退し始めたことがわかるのです。 理論的には、これがあり得る説得力のある理由があります。

Society’s hyperwall, along with the first Friedmann equation at right. Perimeter Institute / Harley Thronson

宇宙がどのように膨張するかを支配する非常に単純な（まあ、相対性理論にとっては）方程式があります：最初のフリードマン方程式です。 一見複雑に見えますが、方程式の中の用語は現実的な意味を持っており、理解するのは簡単です。

written today (in modern notation), where the left side details the Hubble expansion rate and the evolution of spacetime, and the right side includes all the different forms of matter and energy, with with the spatial curvature. LaTeX / public domain

左側には、膨張率（2乗）に相当するもの、俗に言うハッブル定数が書かれていますね。 (宇宙が時間とともに膨張したり収縮したりすると変化するため、本当の意味での定数ではありません）。 ハッブル定数は、宇宙が時間の関数としてどのように膨張または収縮しているかを示しています。 宇宙を構成するすべての物質、放射線、その他のエネルギー形態がある。 宇宙が閉じているか（正曲線）、開いているか（負曲線）、平らか（非曲線）に応じて、空間自体に内在する曲率がある。 また、「Λ」という言葉もあります。これは宇宙定数で、エネルギーの一形態であることもあれば、空間の本質的な性質であることもあります。

cosmological constant (bottom) all evolve with time in an expanding Universe E. Siegel / Beyond The Galaxy

The two sides must be equal.この2つの側面は、時間とともに進化するのですが、この2つの側面は等しくなければなりません。 宇宙の膨張が遅くなると考えたのは、宇宙が膨張すると（右側の）エネルギー密度が下がるので、空間の膨張率が下がるはずだからです。 しかし、宇宙定数などの暗黒エネルギーがあると、エネルギー密度がまったく下がらないことがあります。

どちらにしても、遠くの銀河が我々から遠ざかるにつれて速くなっていくように見えるということです。 ダークエネルギーが宇宙を加速させるのは、外側に押し出す圧力や反重力によるものではなく、宇宙が膨張し続けることによってそのエネルギー密度がどう変化するか（より正確には変化しないか）によって宇宙を加速させるのである。 私たちの実際の加速する運命は、右側に示されています。 十分な時間が経過した後、他のすべての構造が取り返しのつかないほど加速して離れていくので、加速によって、結合したすべての銀河または超銀河構造が宇宙で完全に孤立することになる。 NASA & ESA

宇宙が膨張するにつれ、より多くの空間が生まれます。 ダークエネルギーは空間に内在するエネルギーなので、空間を増やしてもエネルギー密度は下がりません。 これは、通常の物質、暗黒物質、ニュートリノ、放射線など、私たちが知っているものとは根本的に違うものです。

は、あなたの宇宙が物質、放射線、または空間自体に固有のエネルギーによって支配されている場合、同じ時間単位で進化/拡張します。 E. Siegel

一言で言えば、新しいエネルギーの形は、新しい方法で宇宙の膨張率に影響を与えることができるのです。 それは、エネルギー密度が時間とともにどのように変化するかによります。 物質や放射線は宇宙が膨張するにつれて密度が低くなりますが、空間は空間であり、どこでも同じエネルギー密度を保っていることに変わりはないのです。 ただひとつ変わったのは、私たちが勝手に思い込んでいた「エネルギーはゼロであるべきだ」という考えです。 しかし、加速する宇宙は、エネルギーがゼロでないことを教えてくれています。 現在、宇宙物理学者が直面している大きな課題は、エネルギーがなぜそのような値を持っているのかを解明することです。

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