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暗黒物質「ダークマター」の存在が実証された

宇宙に存在する物質の85パーセントを構成すると考えられているダークマター(暗黒物質)ですが、その存在を示す有力な証拠を記録したのはイタリアの「DAMA」と呼ばれる検出器だけで、その後は同じものは見つかっていませんでした。

ダークマターの正体はブラックホールではないようだ。

ダークマターの候補として挙がっている物質は、「アクシオン」のような非常に軽い粒子から「MACHO」(銀河ハローに存在するかもしれない大質量でコンパクトな天体)まで、質量の範囲で90桁にもおよぶ。MACHOの一例としては、宇宙誕生の直後に作られ、太陽の数十倍から数百倍の質量を持つとされる「原始ブラックホール」も含まれる。

理論家の中には、ダークマターは複数の粒子や天体からなるという説を唱える人もいる。しかし、互いに無関係の成分がダークマターの中にいくつもあるとすると、それぞれについて起源の説明が必要となり、モデルが非常に複雑になってしまう。

「ダークマターが、非常に重いブラックホールと非常に軽いブラックホールの2種類からなる、またはブラックホールと未知の粒子からなると考えることもできます。しかしそうすると、片方の成分はもう片方の成分に比べて1個あたりでは何桁も質量が大きいことになり、にもかかわらずトータルの質量では同じくらい存在しなくてはなりません。天体から顕微鏡レベルのものまで、あるいは宇宙で最も軽い粒子まで考えられるので、非常に説明が難しくなります」(米・バークレー宇宙論物理学センター Miguel Zumalacárreguiさん)。

バークレー宇宙論物理学センターのZumalacárreguiさんとUroš Seljakさんは、遠くにある天体から来た光が地球に届く途中で何らかの重力源に曲げられて増光する「重力レンズ効果」に着目した。ブラックホールやMACHOがもし宇宙にたくさんあれば、遠方で起こったIa型超新星の光にこうした重力レンズが影響を与えるはずだ。Ia型超新星は爆発後の最大光度がどれも同じになるため、宇宙の距離を測る標準光源として使われている。

Zumalacárreguiさんは「Joint Lightcurve Analysis」と「Union 2.1」という2通りの超新星カタログを使い、前者では580個、後者では740個の超新星について、明るさと距離の統計解析を行った。彼らは、もしダークマターの正体がブラックホールやMACHOなら、超新星の増光・減光のタイプから予測される明るさよりも0.1〜1%ほど明るく見えるものが8個は存在するはずだと推定したが、解析の結果、実際にはそうした超新星は一つも見つからなかった。

この結果からZumalacárreguiさんたちは、原始ブラックホールやMACHOは、仮に存在するとしても宇宙のダークマターのたかだか約40%を占めるにすぎないと結論した。さらに、「Pantheonカタログ」と呼ばれる別の超新星カタログで1048個の明るい超新星を用いた最新の解析では、より厳しい23%という上限値が得られている。

Seljakさんはこうした解析手法を1990年代後半に論文で提案していたが、ダークマター探索については大質量天体から素粒子(特に、「WIMP」と呼ばれる、弱い相互作用をする質量の大きな粒子)へと関心が移ったため、ダークマター天体を探す解析は中断していた。当時、MACHOとして考えられた天体の質量や種類については、のちにそのほとんどが多くの観測実験によって否定され、こうした天体が見つかる望みはほとんど残っていなかったからだ。さらに、当時は遠方のIa型超新星で距離が測定されたものは少ししか見つかっていなかった。

しかし、2015年に重力波検出装置「LIGO」の観測によって太陽質量の数十倍というブラックホール同士の合体による重力波が検出されると、このようなブラックホールが宇宙に十分存在していればダークマターを説明できるのではないか、という希望が再び広がった。興味深かったのは、LIGOの現象で見つかったブラックホールの質量が、ダークマターの可能性がまだ否定されていない天体の質量範囲にちょうど一致していたことだ。しかし今回の研究結果によれば、結局これは偶然の一致だったということになる。

ダークマターの正体はブラックホールではなさそう – アストロアーツ

謎の暗黒物質「ダークマター」の正体は?

WMAP 衛星による観測を始めとする宇宙マイクロ波背景輻射の観測結果から、宇宙のエネルギー組成が明らかになってきた。

驚くべきことに、私たちの宇宙は、その約 73% が暗黒エネルギーと呼ばれる真空のエネルギー、約 23% が暗黒物質で、知られている通常の物質によるエネルギーは、わずか 4% に過ぎないことが判明したのだ。

真空がゼロでない正のエネルギーをもつと宇宙は加速膨張する。これは遠方の超新星爆発の観測で確かめられており、その観測値は宇宙マイクロ波背景輻射の観測結果と一致する(2011 年のノーベル物理学賞)。

宇宙のエネルギーの約 73% をしめると言うととんでもなく大きな量だと思うだろうが、実は理論値と比較すると桁違いに小さい。

実際、真空を満たすとされるヒッグス場による真空のエネルギー密度の推定値は、観測値の実に 1060 倍にもなる。全く理論と観測が合わないのだ。

暗黒エネルギーの謎は、未だ全く手がかりのない状態にあると言える

一方、暗黒物質の存在には、銀河の回転運動や銀河クラスターの衝突の観測から、その存在の確かな証拠が見つかっている。

暗黒物質の密度の観測値(23%)をもとに、かなり一般的な仮定のもとに暗黒物質の質量を推定すると、ILC で対生成可能なエネルギー領域にある可能性が高いとの結果が得られるのだ。

暗黒物質の候補はいろいろ考えられているが、その正体は未だ謎のベールに包まれている。最有力候補は一番軽い超対称粒子だ。

予言どおり ILC で生成できれば、その性質を詳細に調べ上げ、暗黒物質の正体を突き止めるられるだろう。

謎の暗黒物質の正体は? | ILCの物理

宇宙に占める暗黒物質の割合の推定

1986年に宇宙の大規模構造が発見された。このような構造を形成するための宇宙の物質の総量が見積もられたが、予想よりも質量が少ないため構造の成長には、ハッブル則から導かれる宇宙の年齢(ハッブル時間):100億 – 200億年 よりも、さらに長い時間を要すると計算された (missing mass problem)。この少なすぎる質量を補うものとして、それまでにいくつかの研究で提案されていた暗黒物質(英: dark matter ダークマター)の存在が仮定された。この仮定は、いくつかのシミュレーションによってもハッブル則の範囲内で現在のような銀河集団の泡構造が出来上がることを支持している(例としてなど。)。

その後、宇宙の加速膨張が発見され、さらにインフレーション理論の説明のためダークエネルギーの概念が導入された。ある計算では、ダークマターを含めた物質を約30%、ダークエネルギーを約70%にした場合にうまくいくことが確認されている。

2003年から、宇宙背景放射を観測するWMAP衛星の観測に基づいて、宇宙全体の物質エネルギーのうち、74%が暗黒エネルギー、22%が暗黒物質で、人類が見知ることが出来る物質の大半を占めていると思われる水素やヘリウムは4%ぐらいでしかない、と説明されるようになってきている。この観測結果は、宇宙の大規模構造のシミュレーションから予測されているダークマターの値と、ほぼ一致している。このように2つの方法から推測したダークマターの量がほぼ合うということから、この考えに妥当性がある、と考えられている。

2013年3月、欧州宇宙機関はプランクの観測結果に基づいて、ダークマターは26.8%、ダークエネルギーは68.3%、原子は4.9%と発表した。

暗黒物質 – Wikipedia

「ダークマターを含まない銀河」の発見が、世界中の宇宙物理学者を驚かせた

さまざまな国の宇宙物理学者たちから構成されたとある国際チームは、地球から6,500万光年の彼方にダークマターがほとんどもしくはまったく存在しない銀河を発見した。

同チームは、この銀河内に点在する、数百万個の恒星を含む球状星団と呼ばれる10個の非常に明るい塊の運動速度を観測した。その結果、この結論に至ったのだという。

結果はこの銀河に含まれる恒星の質量が、銀河の回転速度を支えられることを示していた。同じ明るさの銀河と比較してみると、「(この銀河は)せいぜい予測の400分の1しかダークマターを含んでいません」と、イェール大学の宇宙物理学者ピーター・ヴァン=ドッカムは説明する。

この観測結果は奇妙であるばかりでなく、銀河の形成過程についての理解を覆し、宇宙物理学者が考えているダークマターの概念を変えてしまう可能性があるものだと、ヴァン=ドッカムは語る。宇宙物理学者はいまのところ、銀河はダークマターによってつくられた足場の周りに形成されたと考えている。つまり恒星は、すでに存在しているダークマターの表面につくられるのだ。

今回の観測には参加していないコロンビア大学の宇宙物理学者、エレミア・オストライカーは「ダークマターが集積し、通常物質のガスがそこに引き付けられ、それが恒星となり、やがて銀河が形成されると考えられています」と語る。

ヴァン=ドッカムは「ダークマターを含まない銀河を見つけるなんて、矛盾した話です」と述べる。それは骨格のない人体を探すようなことなのだ。「そんなものをどうやってつくれるのでしょうか? ダークマターなしで、どうやって銀河をつくれるのでしょうか?」

従来の理論を見直す必要性

ただし、古い法則を投げ捨ててしまうのは時期尚早だとカリフォルニア大学アーヴァイン校の宇宙物理学者ジェームズ・ブロックは指摘する。「NGC1052-DF2」という覚えにくい名前を付けられた問題の銀河は、別の銀河を周回していると同氏は指摘する。そしてほかの銀河と同様、この銀河はダークマターを核にしてその表面上にできあがったあと、近くに存在している銀河がダークマターをはぎ取った可能性があると説明した。

この過程を思い描くためには、ダークマターを恒星や惑星を形成する通常の物質ではなく、個々の粒子が薄く分布した状態と捉えたほうがいいだろう。「まるでダークマターの海のような液体を想像するほうがいいかもしれません」とブロックは言う。

ダークマターに関する現在主流の理論は、この粒子の「海」が銀河周辺を、まるで太陽を周回する彗星の軌道のような細長い楕円軌道で周回していると予測している。ブロックは、ダークマター粒子の軌道が極端なものになれば、近接する銀河の重力で弾き飛ばされる可能性があると考えている。

次のステップは、今回見つかったような銀河が例外的なものか、あるいは一般的なものかを見極めることだとオストライカーは話す。宇宙物理学者らが似たような銀河を数多く見つけた場合は、ダークマターに関する現在の理論を見直す必要がある。

現在主流の理論によると、ダークマターは(電磁気的な)相互作用をほとんど起こさない重い質量をもつ粒子(WIMP=Weakly Interacting Massive Particle)でできており、それは陽子よりもわずかに重いと考えられている。ただしその理論では、ダークマターを含まない多くの銀河の存在を説明できないのだ。

ほかの理論のなかには、もう少しうまく説明できるものがあるかもしれない。例えばオストライカーが提唱した理論は、いくつかの銀河はほんのわずかしかダークマターを含まず、そうした銀河内にあるダークマター粒子の質量は、暗黒物質の候補とされている「WIMP」の1,030分の1しかないと予測している。

仮説を打ち壊す新しい制約

もし現在主流の理論が間違っているなら、地上でダークマター粒子を捕捉するための実験戦略にも影響が出るだろう。世界各地で、ダークマターが何から構成されているのか解明しようとする大規模検証実験が行われている。例えば、サウスダコタ州でのLUX-ZEPLIN(LZ)実験、ワシントン州でのADMX実験、イタリアのXENON1T実験などだ。

これらは、検出器設計の手本として天文観測の手法を取り入れている。ちなみにLZ実験とXENON1T実験では、ともにWIMPの検知に液体キセノンを使用している。ADMX実験では、異なるタイプの検出器が必要な、WIMPよりも軽いアクシオンという別のダークマター候補の検出を試みている。

ヴァン=ドッカム率いるチームは、同じような銀河や、ダークマターに対する現在の理解では説明困難な現象の探査を続ける計画だ。同チームは2016年に、今回の銀河とは対照的な銀河を発見した。この銀河は回転速度が非常に速いため、全質量の99.99パーセントがダークマターだと結論付けられた。

「この天体は反対の意味で驚きでした」と、ヴァン=ドッカムは語る。その銀河がどのように形成されたかについても、研究者はうまく説明できないままだ。

彼らはこうした奇妙な天体が、ダークマターに関するオストライカーやブロックのような理論物理学者の理解を深められる助けになればと考えている。「わたしたちはダークマターについてほとんど何もわかっていなので、どのような新しい制約も大歓迎なのです」とヴァン=ドッカムは語る。たとえそれが、彼らの有しているわずかな仮説を捨て去ることになるにしても、だ

「ダークマターを含まない銀河」の発見が、世界中の宇宙物理学者を驚かせた|WIRED.jp

暗黒物質の存在を実証した女性天文学者、 米国初の天文台名に決定

南米チリに建設中の米国立天文台の名称として、暗黒物質の存在を観測によって裏付けた女性天文学者、ヴェラ・C・ルービン博士の名前がつけられることが決まった。女性科学者の名前が米国立の天文台に冠されるのは初めてとなる。

大型シノプティック・サーベイ望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope:LSST)は、ルービン博士の名前から「Vera C. Rubin Observatory(ヴェラ・C・ルービン天文台)」になる。略称は「Rubin Observatory(ルービン天文台)」または「VRO」となる。

ヴェラ・C・ルービン博士は、1923年生まれの米国人天文学者。プリンストン研究所で博士号取得を志したものの、女性であったために研究所に入ることができず、コーネル大学、ジョージタウン大学で博士課程に入り、1954年に物理学の博士号を取得した。

ジョージタウン大学の助教授を経て、カーネギー研究所での研究を開始したルービン博士の最も有名な業績は、銀河の回転において観測と理論の食い違いから暗黒物質の存在を実証したことにある。1970年の論文で、アンドロメダ銀河の周辺部では、物質の回転速度がそれまでの理論で考えられていたものより速いという観測結果を発表した。

それまでの理論では、銀河に属する星の回転速度は、中心部では速く周辺部に行くほど遅くなると考えられていた。しかし周辺部で予想よりも回転速度が速いのであれば、中心に向かって物質を引き寄せる力が存在するとルービン博士は考えた。これは銀河内部の物質からの重力が予想以上に強いことを意味している。またその物質はほぼ銀河全体にわたって分布していて、質量は銀河で見える物質の質量の数倍ある。目には見えないが重力の影響を及ぼすこの物質は、「暗黒物質(ダークマター)」と呼ばれている。1930年代から提唱されていた暗黒物質の理論を、ルービン博士の研究が裏付けることとなった。

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