最小の「暗黒物質のかたまり」をハッブル宇宙望遠鏡が検出!

space 2020/01/11
Credit:NASA
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  • 暗黒物質は熱的な運動をあまりせず、一箇所に凝集しやすい性質を持つと考えられている
  • 新たな研究では、重力レンズ効果の分析から、これまで確認されている中で最小となる暗黒物質の塊を発見した

暗黒物質の最小の塊を発見したという研究が発表されました。

ちょっと待って! 暗黒物質って発見されてたの?

と疑問に思う人もいるのではないでしょうか。確かに暗黒物質自体は未だ謎の存在で、それが何であるか特定されてはいません。

しかし、推定される重力の影響に対して計算と合わない影響や効果が確認された場合、そこには暗黒物質が存在しています

そのため、見えなくても暗黒物質の塊と目されるものは、これまでも発見されているのです。

今回の研究は、そんな暗黒物質の塊で最小と推定されるものが発見されたというものです。

謎の暗黒物質に、科学は現在どこまで迫っているのでしょう?

この研究は、NASAのジェット推進研究所の研究者Anna Nierenberg氏、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)のTommaso Treu氏を含むハッブル宇宙望遠鏡の観測チームにより、ハワイのホノルルで開催された第235回アメリカ天文学会で発表されており、関連論文は『王立天文学会月報』にも掲載されています。

Warm dark matter chills out: constraints on the halo mass function and the free-streaming length of dark matter with eight quadruple-image strong gravitational lenses
https://doi.org/10.1093/mnras/stz3480

見えないけどそこにある

暗黒物質は現在のところ明確に発見されているものではなく、その正体は未だ謎の存在です。

しかし確かにその影響は確認されていて、銀河を形成する土台となったり、さらに銀河を銀河団に結びつける接着剤にもなっていると考えられています。

現在もっとも有力な理論モデルは「冷たい暗黒物質モデル」と呼ばれるものです。このモデルでは、暗黒物質は熱による激しい運動を起こさずゆっくり移動する「冷たい」粒子で構成されていると考えられています。

このため暗黒物質は拡散せずに凝集しやすい性質を持っていると考えられていて、その結果天の川銀河の数10万倍の質量から、旅客機くらいの質量の塊を形成すると予想されています。

下の画像は全天の銀河の配置を観測したものと、冷たい暗黒物質が凝集して大規模構造を宇宙に形成した場合のシミュレーションを並べたものです。これを見ると2つは非常によく一致して見えます。冷たい暗黒物質がベースとなって銀河形成されたというのも頷ける話です

掃天観測による160万個の銀河の天球上の分布(左)。冷たい暗黒物質が凝集した大規模構造(左)。/Credit:2MASS/矢作日出樹、長島雅裕,武田隆顕,国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクト

重力レンズ効果と暗黒物質

Credits: NASA, ESA and D. Player (STScI)

暗黒物質は直接見ることはできませんが、天文学者は暗黒物質が恒星や銀河に与える影響を測定することで、それが存在していることを間接的に知ることができます。

そうした観測によって、暗黒物質の存在をわかりやすく示す証拠の1つが重力レンズ効果です。

暗黒物質は重力の影響によってのみ物質と相互作用する何かであると考えられています。

一般相対性理論では、重力とは「時空のゆがみ」であると説明されていて、この影響は重力レンズ効果によってはっきりと目で見ることができます。

重力レンズは、観測対象となる天体と地球の間に、大きな重力を生み出す銀河や銀河団が存在することで空間がゆがみ、虫眼鏡を通して見たように光が曲がって見える現象です。

重力レンズ効果のイメージアニメーション。/Credit:HubbleESA/Animation of gravitational lensing (artist’s impression)

天体の生み出す重力の影響は、その天体の明るさから推定することができますが、発見されている重力レンズの中には、この推定値と実際確認できる重力レンズ効果が一致していないものがあるのです。

これが、暗黒物質の存在を示す有力な証拠になると考えられているのです。

小さな暗黒物質の塊を探す

今回の研究が目指したのは、非常に小さな暗黒物質の塊を探すことです。

銀河の様な星が密集した場所では、大規模な暗黒物質の塊が存在する証拠を見つけることができます。しかし、星がない空間に小さな暗黒物質の塊がある場合、それを見つけることはできるのでしょうか?

そこで研究チームが利用したのが、クエーサーという非常に明るい遠方の天体です。

このクエーサーと地球の間に重力レンズ効果を生む銀河団が存在した場合、重力によってクエーサーの光がどの程度ゆがむかは検証がしやすいものとなります。

Credits: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

研究では、重力レンズ効果によって4つに分裂して見える8つのクエーサーを観測しました。クエーサーは地球から約100億光年の距離にあり、重力レンズを生む前景銀河は地球から約20億光年の位置にあります。

通常重力レンズ効果を起こすためには、全ての天体が一直線に整列する必要があります。そのため、4つに分裂して見えるというのはかなり稀な現象です。

暗黒物質の塊がある場合、それはクエーサーの見かけの明るさや位置をずらしてしまいます。研究者は測定値から暗黒物質の影響がない場合に予想されるクエーサーの画像と実際の見え方を比較しました。

これは重力レンズという滑らかな虫眼鏡のレンズ表面から、暗黒物質という僅かなヒビを探すような作業です。

そして、研究チームは観測データから天の川銀河の暗黒物質質量の1万分の1から10万分の1という、非常に小さな暗黒物質の塊を検出したのです。

研究者によると、こうした小さな構造の数は、暗黒物質の粒子特性と関係しているといいます。小さな暗黒物質の塊を数えることで、暗黒物質の粒子としての物理的特性を学ぶことができるのです。

現在のところ、暗黒物質が何であるかはわかっていません。おそらくは既存の物質と小さな相互作用しか起こさない未知の素粒子であるという考え方がされています。

近く稼働する予定のジェームズウェッブ宇宙望遠鏡や広視野赤外線測量望遠鏡(WFIRST)などの新型望遠鏡は、こうして積み上げた知見を元に、暗黒物質の正体を明らかにしてくれるかもしれないと言われています。

ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡は2021年に打ち上げが予定されています。果たして、私達が生きている内に暗黒物質の正体は明らかになるのでしょうか? ひょっとしたらそれは意外とすぐなのかもしれません。

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