もし「ダークマター」が見えたとしたら?最新のシミュレーションが未発見の暗黒物質を見つける鍵になるかも?

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Credit:J. Wang; S. Bose/CfA.

reference: cfa,universetoday

目に見えないものをどうやって研究するのか?

これは暗黒物質(ダークマター)をめぐる研究において、天文学者がもっとも悩んでいる問題です。

暗黒物質は光と相互作用せず、重力の影響だけを与える見えない物質であり、今のところその直接検出には誰も成功していません。

こうした研究では、観測的な事実と新しい暗黒物質モデルを比較して検証していきます。そこでは高度なコンピューターシミュレーションが重要なツールとなるのです。

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのチームにより9月2日付けで科学雑誌『nature』に掲載された新たな研究では、暗黒物質モデルについて詳細なシミュレーションを実行し、驚くべき結果が得られたことを報告しています。

冷たいダークマターモデルとWIMP

credit: depositphotos

宇宙全物質の83%(全エネルギーでみた場合26%)を占めると考えられている暗黒物質は、他の物質と電磁気的な相互作用を一切持ちません。

これは暗黒物質からは、なんの電磁波も検出できないことを意味しています。

可視光も電磁波の1種なので、つまり暗黒物質は見ることすらかなわない、そこにあったとしてもまったくわからない謎の物質なのです。

しかし、それがどういう性質の物質であるのかという点については、観測された宇宙の状態からいくつか有力な予想が示されています。

1つは「冷たいダークマターモデル」と呼ばれるものです。ここでいう冷たいとは運動量のことで、暗黒物質はあまり動き回らず人ところに固まって存在するだろうという考え方です。

そしてもう1つの主要な予想は、暗黒物質がWIMPと呼ばれる陽子の約100倍の質量を持つ弱い相互作用しか持たない巨大粒子である、というものです。

予想ではWIMPは反物質のような性質を持っていて、互いに衝突すると対消滅を起こしガンマ線を発生させると考えれています。

今回のシミュレーションは、この2つのモデルが事実だった場合、暗黒物質がどのように存在しているかを非常に高い分解能で30桁もの質量を含む仮想宇宙を使い検証したのです。

月にいるノミまで拡大できる宇宙シミュレーション

すべての銀河の形成には暗黒物質の存在が不可欠だと考えられており、銀河の中には観測できる物質の10倍から100倍の暗黒物質が含まれていると推定されています。

冷たいダークマターモデルでは、暗黒物質はあまり動き回らず集まって塊を作っていると考えられています。これはハローと呼ばれます。

ハローとは物質がまばらに分布した雲のようなものを指します。

例えば銀河は星の集まる銀河腕の領域を超えて、星間物質(ガス)が広く分布した巨大なハローに包まれています。

ハローはサイズがさまざまであり、銀河や銀河団を包むほど巨大な場合もありますが、惑星を包むような小型のハローも予想されています。

今回のシミュレーションでは30桁という質量スケールで宇宙を再現し、さらにその宇宙で月の表面にいるノミまでズームアップして確認できるという、飛んでもない精度の分解能が実現されました。

これによって暗黒物質が見えた場合、どのようなハローを形成し、どのような内部構造を生み出すか詳細に観察することができたのです。

暗黒物質ハローの構造

結果、暗黒物質ハローは、大きさにかかわらず、中心が非常に密になった類似した内部構造を持っていて、外側に向かって拡散していることがわかりました。

これはすべて構造がそっくりであり、スケールバーが付随していなければ、1015倍の太陽質量という巨大銀河を包む暗黒物質ハローと、10-6倍の太陽質量未満という小型のハローが、見分けられないという状況を生み出していました。

Credit:J. Wang; S. Bose/CfA.これはシミュレーションにより「宇宙のウェブ」と呼ばれる構造を視覚化したものです。

フィラメントの交差した球形の塊は暗黒物質のハローです。しかし、それが銀河団を包むハローなのか、それとも地球を包むハローなのか、大きさに対する情報がなければ、どれがどれだか構造だけでは判断できません。

過去の研究では、暗黒物質ハローは大きい場合と小さい場合では、構造にかなり違いが生まれると予想されていました。

しかし、シミュレーションの結果は従来の予想を覆すものだったのです。

これはあくまでシミュレーションの結果ですが、実際の観測データに基づいています。

この事実はこれまで発見されていなかった暗黒物質の新たな性質を明らかにしているのです。

暗黒物質発見の手がかりになるか?

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重力の影響がある場合、重力レンズという光の曲がりでその存在を確認することができます。

しかし小規模な暗黒物質ハローは、小さすぎるために光へ及ぼす重力の影響を検出することはできません。

WIMPの予想では暗黒物質は、ぶつかると反物質のように対消滅を起こしてガンマ線を放出すると考えられています。

ガンマ線観測では、銀河中心部から予想より過剰なガンマ線が放出されていることが示されています。

この過剰なガンマ線の発生源は、より小規模な暗黒物質ハローである可能性があるのです。

ハローの大きさはガンマ線のエネルギースペクトルに影響するため、今回のモデルを使えば、天の川銀河や、その他の銀河に見られる過剰なガンマ線量を具体的に予測することができます。

このシミュレーションは、まだ未発見の暗黒物質を直接検出するための、重要なツールの1つになるかもしれません。

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