暗黒物質 vs 修正ニュートン力学!暗黒物質を含まない銀河形成シミュレーションが初めて実行される

space 2020/02/12
誕生から15億年後の宇宙のシミュレーション。/Credit: AG Kroupa/Uni Bonn
point
  • 暗黒物質がない宇宙での銀河形成シミュレーションが行われた
  • ここではニュートンの法則が限定的にしか作用しない、MOND理論が適用されている
  • 計算された銀河は、現在実際に観測されているものと非常によく似た形状をしている

現在の宇宙論で重要な鍵を握っているのが、観測できない謎の重力源「暗黒物質」です。

これは宇宙に見られる不均等な物質の分布や、銀河回転の問題を説明するために不可欠なものだと考えられています。

しかし、暗黒物質については決定的な証拠はまだ発見されておらず、やはりそんなものは存在しないのではないか、と考える科学者も多く存在しています。

そんな彼らが考える暗黒物質に変わる有望な理論の1つが、修正ニュートン力学(MOND)です。

これは、重力が今まで考えられていたものとは異なる振る舞いをしているのではないか、というかなり大胆な理論です。

そこで今回の研究チームが初めて実行したのは、暗黒物質がない修正ニュートン力学を適用した本格的な銀河形成シミュレーションです。

その結果は、見たところ現在私達が観測できる銀河の姿と非常によく似ていると言います。

果たして、現在の宇宙の形を作り上げたのは、暗黒物質なのでしょうか? それともただ私達が重力の性質を十分理解できていなかっただけなのでしょうか?

この論文は、ドイツのボン大学とフランスのストラスブール大学の研究チームより発表され、天文学の学術雑誌『the Astrophysical Journal』に掲載されます。現在は、プレプリントサーバー『arXiv』で論文全文が閲覧可能です。

The formation of exponential disk galaxies in MOND
https://arxiv.org/abs/2002.01941

暗黒物質 VS 修正ニュートン力学

掃天観測による160万個の銀河の天球上の分布。/Credit:2MASS

現在私達に見える宇宙は、ビックバン以降に物質が均等に分布しなかったことで形成されています。

密度の高い場所は周囲より強い重力を発生させ、それがガス雲を束ねて最終的に銀河を生み出したのです。

この原因となったのが暗黒物質です。

暗黒物質は冷たい粒子で構成されていて、熱による激しい運動は起こさないため、拡散せずに凝集しやすい性質を持っていたと考えられているのです。

また、暗黒物質は銀河の回転における不可解な謎も説明してくれます。

回転銀河は、非常に早く移動する場合があります。このとき計算上では、外側に存在する星は銀河から追い出されてしまうのです。

しかし、銀河は実際崩れることなく、全体が一様に回転しています。これを実現するためには、銀河の形をパテのように固めるための追加の重力源が必要だと考えられるのです。

この原因も暗黒物質で説明することができます。

しかし、それは本当なのでしょうか? 証拠となるものは未だに発見されていません。

存在しないものを延々と人類が探し求めているのだとしたら、それは不毛という他ありません。見えている物質だけで、すべて説明することはできないのでしょうか?

そこで登場した代替案が修正ニュートン力学(MOND:MODed Newtonian dynamics)です。

この場合に科学者が考えるのは、重力が私達の想定と異なる振る舞いをしているだけなのではないか? ということです。

修正ニュートン力学とは?

発生源Sからの流速は距離rの2乗の球面を通り密度が下がる(左)。万有引力の位置エネルギーのグラフ(右)。縦軸が位置エネルギーの強さ、横軸が重力源との距離。/Credit:Borb,Wikipedia Commons/受験のミカタ

従来のニュートン力学で説明されている万有引力の法則では、重力の強さは発生源の距離の二乗に反比例して減少していきます。

重力の発生源から離れれば離れるほど、加速度的に重力は弱くなっていくのです。

この考え方では、回転銀河は中心ほど早く回転し、外側に行くほど引っ張る力は弱くなって、回転速度が遅くなります。

しかし、実際の銀河はそのような動きをしておらず、中心からの距離に関係なくすべての天体がほぼ一定の速度で回転しています。

MONDは、この理由を説明するために、私達のよく知る万有引力の法則は、太陽系サイズの距離では有効な理論だが、銀河スケールの距離では成り立たないと主張しています。

重力の強さは、恒星間ほど距離が大きくなった場合には、距離の1乗に反比例します。この考えに従うと、銀河の回転は暗黒物質の存在に頼ることなく自然に説明できるようになるのです。

暗黒物質がない銀河形成シミュレーション

Credit:Nils Wittenburg/Formation of disk galaxies in MOND by Nils Wittenburg model M4 stars face-on

今回の研究チームは、MOND理論を適用して、暗黒物質を含まないこれまででもっとも大規模な銀河形成シミュレーションを行いました。

計算されたのは、ビッグバンから数十万年後のガス雲から始まる銀河形成の様子です。

その結果は、実際望遠鏡で観測されている巨大銀河と非常に近いものでした。星の分布や銀河の回転速度は、観測データのパターンに従うものになっています。

このシミュレーションでは、私達の属する天の川銀河を含めた既知の大型銀河のほとんどすべてが形成可能でした。

一方、暗黒物質によるシミュレーションでは、はっきりとした物質円盤を持たない銀河が生成される場合があり、これは観測結果と矛盾していると言います。

暗黒物質に基づく計算は、超新星の発生頻度や、銀河の物質分布など、特定のパラメーターの変化にも非常に敏感です。対称的に、MONDのシミュレーションでは、これらの要因はほとんど影響しませんでした。

この報告では、従来の暗黒物質のシミュレーションと比較した場合、かなり有望な結果が得られているように思えますが、しかし、MONDも全ての結果が観測事実と一致しているわけではありません。

研究者はこれは「最初の一歩に過ぎない」ということを強調しています。

現在のところ、科学者によるシミュレーションは、初期の宇宙について非常に単純な仮定しか用いていません。

より複雑な要因を含め、MONDが実際に現実を説明しているかどうか検証するには、さらに研究を進めていく必要があるようです。

こうした議論に決着のつく決定的な証拠が見つかる日は、近い将来やって来るのでしょうか? できれば生きている内に結果を見届けたいですね。

「暗黒物質が無い銀河」の謎、ついに解明される!

reference: ボン大学,phys / written by KAIN

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