未解決問題

最初の星々（第三種星）はどんな姿だったのか？

最初の星は金属を含まず冷却できない純粋な水素・ヘリウムガスから形成されたため、モデルは大質量（太陽の数十〜数百倍）で短命と予測する。最初の重元素とおそらく最初のブラックホールの種をまいたが、直接観測された例はない。

高速電波バースト（FRB）は何が生み出すのか？

太陽が数日間に放出するエネルギーに相当するミリ秒の電波閃光が銀河系外から届く。数千件が目録化され、一部は繰り返すが大半は繰り返さない。マグネターが少なくとも1つのバーストの起源であることは証明済みだが、全母集団——特に繰り返さない多数派——を説明できるかは未定である。

中性子星内部の物質の状態方程式は何か？

中性子星の核は物質を核密度の数倍に圧縮する——実験室で到達不可能な領域である。状態方程式は最大質量・半径・潮汐変形性、そして核にハイペロン・クォーク物質・新相が含まれるかを決定する。

最初の超大質量ブラックホールはなぜこれほど速く成長したのか？

z > 7、ビッグバンから8億年未満の時代に~10^9太陽質量のブラックホールが駆動するクエーサーが既に存在した。エディントン限界で降着する恒星残骸シードでは成長が間に合わず、「重いシード」——直接崩壊ブラックホールや稠密星団内の暴走合体——が唱えられている。

ダークエネルギーの正体は何か？

1998年の遠方の超新星観測により、宇宙の膨張が加速していることが分かった。その未知の原因（宇宙のエネルギー収支の約68%）はダークエネルギーと呼ばれるが、宇宙定数なのか動的な場なのか、あるいは大規模スケールで一般相対論が破綻しているのかは不明である。

暗黒物質を構成する粒子（または天体）は何か？

銀河の回転曲線、重力レンズ、バレットクラスター、CMBはいずれも可視バリオンの約5倍の重力質量を要求する。暗黒物質が弱相互作用粒子なのかアクシオンなのか、原始ブラックホール群なのか、別の何かなのかは未同定のままである。

初期宇宙と後期宇宙のH₀測定はなぜ一致しないのか？

ΛCDMを仮定してCMBから推定した現在の膨張率（~67.4 km/s/Mpc）は、ケフェイド変光星と超新星による距離梯子の測定値（~73 km/s/Mpc）と約5σずれている。両側に系統誤差が残っているか、標準宇宙モデルが不完全かのどちらかである。

なぜ反物質より物質が多いのか？

観測可能な宇宙には原始反物質がほぼ存在しない：光子約10^9個あたりバリオンが1個、反バリオンはゼロ。サハロフはこれにバリオン数破れ・C/CP破れ・非平衡が必要と示したが、標準模型で測定されるCP破れはあまりに小さい。

重力と量子力学をどう両立させるか？

一般相対論は滑らかな時空幾何を記述し、量子力学は固定背景上の確率的場を記述する。両者はプランクスケール——ブラックホール内部やビッグバン——で衝突し、いかなる量子重力理論もまだ実験検証されていない。

超高エネルギー宇宙線はどこから来るのか？

10^18 eVを超えて検出される荷電粒子——10^20 eVに近い事象を含め、1個の素粒子にマクロなエネルギー——は宇宙で最も極端な天体によって加速されているはずである。候補源はAGNジェット、ガンマ線バースト、マグネターなどだが、磁場による偏向で到来方向がかき乱される。

生命はどの経路で化学から最初に生まれたのか？

生命は地球が居住可能になってから約5億年以内に出現した——驚くほど速い。しかし生命誕生前化学から最初の自己複製・区画化・代謝する系への橋はまだ架かっていない：ヌクレオチドと原始細胞は別々に作れるが、同時に自律的には作れていない。

みんなどこにいる？フェルミのパラドックスとテクノシグネチャー探索

銀河は十分に古く広いため、遅い恒星間移住でも満たされているはず——それでも空は静かである。パラドックスは前方または後方の「大いなるフィルター」、知性の希少性、我々の探索方法の誤り、あるいは文明の短い寿命によって解消しうる。