ダラムの地下に潜む「神の機械」

イングランド北部の静かな一角にあるスーパーコンピュータが、7200万時間もの間、物理法則をひたすら計算し続け、ついにひとつの「幽霊」を吐き出した。それはバグや乱数の羅列ではなく、鏡写しのような存在だった。その合成宇宙はあまりに精密で、開発者たちは私たちが実際に住んでいる宇宙と見分けがつかないと主張している。ダラム大学のモニターにその画像が映し出されたとき、研究者たちが目にしたのは粗い近似図ではなかった。そこには、私たちが現在利用できる最も強力な望遠鏡で見ている星々と、全く同じ輝度、色、集団構造を持つ銀河が浮かび上がっていた。

これは、神を気取りたいという欲求から生まれたプロジェクトではない。現行の現実モデルを救い出すための、必死の試みだった。ここ数年、宇宙論の世界は静かなパニックに陥っていた。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）から送られてくるデータは、既存の理論では説明がつかないほど巨大で明るい古代の銀河を捉え、科学者たちを困惑させていたからだ。物理学者の一部からは、私たちの「宇宙標準モデル」は修復不可能なほど壊れているのではないかという声も漏れていた。10年にわたる国際的な共同研究の成果であるCOLIBREプロジェクトは、これまでの計算が依然として妥当なのか、それとも教科書を破り捨てて一からやり直すべきなのかを解明するために立ち上げられた。

この計算の規模は、ビールを片手に電卓を叩くようなレベルでは到底把握できない。このシミュレーションの最大規模の実行にあたり、スーパーコンピュータ「COSMA8」は、単一プロセッサで換算して8,219年分という時間を費やした。もしこれを高性能なゲーミングノートPCで行おうとすれば、わずか10億分の1の処理を終える前に、マシンはシリコンの塊と化して溶け落ちていただろう。これほどのデジタルエネルギーの膨大な投入が必要だったのは、チームが数十年にわたり宇宙シミュレーションを悩ませてきた「近道」をしないと決断したからである。

1万度の壁

なぜこのシミュレーションが特別なのかを理解するには、従来のシミュレーションが本質的に「漫画」でしかなかった理由を知る必要がある。宇宙は巨大だが、同時に混沌としている。これまで天文学者は、「低温」ガス――およそ華氏1万度（約5500度）以下の物質をモデル化することに苦戦してきた。人間から見れば溶鉱炉のような温度だが、宇宙のスケールではほぼ凍結しているに等しい。これらの低温ガスとそれらが運ぶ塵の雲は、非常に複雑で乱流を伴う挙動を示すため、初期のシミュレーションでは単純に切り捨てられていた。計算上、1万度を底値として設定し、欠落したデータがそれほど重要ではないことを祈るしかなかったのである。

ダラム大学の物理学者であり、本プロジェクトの主任設計者の一人であるCarlos Frenkは、完成の瞬間を「高揚感に満ちていた」と語った。理論を紙の上で述べることと、機械にその理論を実行させ、望遠鏡で空を見上げたときと同じ姿の銀河を作り出すのを見るのとでは、訳が違う。もしシミュレーションが別の結果を出していたら――例えば塊にならない物質や、あまりに早く燃え尽きる星々を生み出していたら――それは私たちの宇宙観にとって、最後の一撃となっていただろう。

なぜ物理学は中年の危機に直面していたのか

このプロジェクトを突き動かした緊張感は、NASAの関係者を悩ませてきた特定の観測結果に由来する。JWSTが打ち上げられた当初、そこには「あるはずのないもの」が見えていた。極めて初期の宇宙に存在する巨大な銀河である。標準モデルによれば、それらの銀河がこれほど巨大に成長するための時間は足りていないはずだった。それはまるで、保育園に入ったら身長が180センチもあり、シェイクスピアを暗唱できる新生児を見つけるようなものだ。これでは理屈が合わず、ビッグバン理論は誤りだったのではないか、あるいは重力は私たちの想定とは異なる働きをしているのではないかといった見出しがメディアを賑わせた。

しかし、シミュレーションがもたらしたのは安堵だけではない。物理学者が今なお説明に苦しんでいる、燃えるような赤い問題も浮き彫りにした。7200万時間というスーパーコンピュータの演算能力をもってしても、このモデルでは「小さな赤い点（Little Red Dots）」を完全には説明できていない。これらはJWSTによって発見された、宇宙誕生から10億年も経たない時期に存在していた、極めて明るくコンパクトな天体群だ。銀河のように見えるが密度が高すぎ、宇宙が古くなるにつれて消えていくように見える。それらはまるで怪談のように――さっきまでそこにいたのに次は消えており、ルールに従おうとしない宇宙の謎である。

バーチャルな神を演じる代償

どのようなシミュレーションも、精度と規模の妥協点を探る作業である。COSMA8のパワーをもってしても、研究者たちは選択を迫られた。宇宙の巨大な体積をモデル化できても、個々の小石や小惑星までを見ることはできない。彼らが見ているのは「マクロ」なスケール――ダークマターがガスをどのように引き寄せ、銀河中心のブラックホールが物質をどのように宇宙へと吹き戻し、そしてこれらの力が何十億年もの時間をかけてどのようにバランスを取っていくのかというプロセスである。これは宇宙規模の会計作業であり、今回初めて、その帳簿の辻褄がようやく合うようになった。

COLIBREの真の価値は、私たちの正しさを証明することだけにあるのではない。どこが間違っているのかを検証するための遊び場を提供することにある。もしダークマターが「冷たい」ではなく「温かい」ものだとしたらどうなるか、あるいはブラックホールの成長タイプが異なれば渦巻銀河の形状にどう影響するかを知りたい場合、現実の実験で何十億年も待つ必要はない。コードを一行変えて、シミュレーションを再実行すればいい。宇宙全体をサンプルとして扱う、究極の研究所なのだ。

また、こうした研究には言及されることの少ない人間的なコストも存在する。科学者としての人生の10年をソフトウェアに捧げるのは、重い代償だ。ダラム大学のチームと国際的なパートナーたちは、星がいかに点火し、消滅するかを決定づける微細な「サブグリッド」物理学を完璧にするために何年も費やした。それはデバッグとテスト、そして失敗の繰り返しであり、完璧に動作した暁には、私たちがすでに知っているものと全く同じ結果が見えるという結果を出すための苦闘である。これこそが科学の究極のパラドックスである。世界がまさに自分の予想通りであることを証明するために、10年を費やすのだ。

数学でできた宇宙

COLIBREプロジェクトから得られた最も深遠な結論の一つは、私たちの宇宙が根本的に数学的であるという確認である。重力、熱力学、流体力学という基本的な方程式を機械に入力するだけで、その先から「宇宙」が出てくるという事実は、深く不安を掻き立てるものであり、同時に少しばかりの安らぎも与えてくれる。私たちが天の川銀河を見たときに感じる複雑さは、まぐれや奇跡ではなく、必然である可能性を示唆している。正しい材料と正しいルールさえあれば、星々は形成されるよりほかないのだ。

今のところ、標準モデルは生き延びた。ダラムの地下室で行われた懸命な計算のおかげで、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡との最初の接触を切り抜けたのである。私たちは混沌とし、冷たく、塵に満ちた宇宙に住んでいるかもしれないが、ようやく塵がどのように落ち着くのかを理解したと言える。そして、シミュレーションでさえも説明できない未知の事象？ それこそが、次の7200万時間を費やす価値のある、次なる探求の対象である。