宇宙を形成する「暗黒物質(ダークマター)」の謎や正体に迫る!



宇宙空間は様々な物質から成り立っているのですが、人類が把握している成分はその中のごくわずかなものです。宇宙空間の構造や空間を形成している「重力の源」となっている物質は、人類にとってはまだ正体不明の物質がほとんどといわれています。これらの成分を総称して「暗黒物質(ダークマター)」や「ミッシングマス」と呼び、「正体は分からないけれど確実に存在すると判明している」ものと想定しています。
この暗黒物質は憶測や机上の空論で導かれたものではなく、さまざまな方法で観測された結果から共通している点から示唆されているので、本当に謎の物質が存在すると考えられているんです。
今回は宇宙を作り上げている暗黒物質(ダークマター)の謎に迫っていきます。

宇宙を構成する暗黒物質が存在するといわれる根拠

暗黒物質の謎
今では学校の授業で学ぶ物質を構成している「原子」ですが、その存在が分かったのは20世紀初頭のこと。1933年にスイスの天文学者・フリッツ・ツビッキーが、暗黒物質の存在を主張することで、宇宙空間に存在している「全ての物質」が原子で構成されているのではないかという説を否定しています。
ツビッキーは銀河団に属しているいくつかの銀河の明るさを測定し、星1つの質量や明るさを計測したのですが、その結果人類が観測できる物質だけで銀河を形成するのに必要な重力を得られないという答えを導き出しています。そして銀河そのものが高速回転しているということも、観測することができ、人類の未知な物質が、銀河をひとつにまとめて置ける強力な引力を持っている何か」が存在していることを確信したのです。
ツビッキーはこの未知の物質に「ダーク」と命名していますが、当時の天文学者や科学者たちはこの説を認めるどころか、ツビッキーを変人扱いし主張を却下してしまうのでした。

1970年代以降になって暗黒物質の存在が認められる

1970年までツビッキーの持論は忘れられていたのですが、ヴェラ・ルービンという天文学者によって、「銀河の回転曲線問題」が発見されます。
これは地球から近い銀河がきちんと回転していないということを問題しており、ルービンが発見した銀河は中心から一番離れていたとある星が他の星と同じようなスピードで回転していることを発見しているのです。
これまでは中心から一番離れた場所の星は、重力が弱いため他の星と比較してもゆっくり動くと考えられていたため、ルービンの発見を証明するためには、銀河から星が離れて行かないよう重力かなにかが働いていると考える必要がありました。
この「重力かなにか」が、人類の未知の物質である「暗黒物質」ではないかと考えられ、広く知られるようになり現在では天文学者のほとんどが、宇宙を作る基礎となる物質が暗黒物質だと考えています。

暗黒物質が実在している根拠となる観測結果とは?

正体不明の暗黒物質が実在するという観測結果には、以下のようなものがあげられます。

観測結果
・銀河が回転する速度が、星のない銀河外側の領域でも大きく減少していない
・銀河団を構成している厚生銀河の速度の分散が大きい
・多くの銀河団で重力レンズ現象がある
・宇宙の大規模構造の構成する物質

重力レンズとは、銀河や星が発している光が、中間にある天体などの持つ重力によって屈折したり、複数の経路を通過している光が集まって明るく見える現象です。

観測から出てきたこれらの結果を説明するためには、今現在人類が把握していない「目に見えない重力相互作用を起こす物質」を持ち出さなければ説明ができないのです。

暗黒物質の正体とは?

証拠
まだ人類が把握しきれていない暗黒物質ですが、その候補は以下のようなものがあげられていました。

暗黒物質の正体
・人類の未知の素粒子。
・宇宙ができた初期に作られたブラックホール
・観測できないほどの暗くて小さい天体

人類未知の素粒子には、「ニュートリノ」、「アクシオン」といった量子力学上で、その存在が期待できる粒子があげられています。
ニュートリノという粒子は、宇宙宇空間に広く存在しており、ニュートリノ同士が衝突してしまうと、ごく稀に消滅してしまい、ガンマ線や高エネルギー粒子が発生します。このようなことがあれば、観測で発見できているのですが、ひとつ問題があり現在は候補から外されています。
それはニュートリノ自身が光、素早く動くことで熱くなる」ということ。宇宙空間は「冷たい暗黒物質」で満たされ「熱い暗黒物質」が存在しないといわれているため、ニュートリノが候補から外されています。

また「暗い天体」は宇宙空間の通常の元素(バリオン物質)の密度がとても小さいので、暗黒物質の主要な物質ではないと考えている学者が多いようです。

暗黒物質のない銀河が発見されている

銀河
複数の国の宇宙物理学者からなる国際的な研究チームが、地球から約6.500万光年離れた場所に、暗黒物質がほとんどない銀河を発見しています。暗黒物質自体は検知することができませんが、発見した銀河内にある数百万もの恒星を含んでいる10個のとても明るい球状星団の運動速度を観測した結果、暗黒物質がないと判断したそうです。

観測結果を分析したところ、この銀河内にある恒星の質量自体が、銀河全体の回転速度を支えることのができるほど強力だったということが示されたそうです。そしてこの銀河は、同じ明るさの銀河と比べると400分の1程度の暗黒物質しか存在しないという結論に至っています。
この結論はこれまでの概念を覆すほどのものですが、現在ではまだ暗黒物質のない銀河が存在することを説明できないため、ダークマターの理論を見直す必要があるといわれています。

暗黒物質を発見する方法はあるのか?

はてな
暗黒物質について机上の空論だけでなく、実際にその存在を確かめる方法はいくつか試されています。現在ではその方法が以下の3つあると言われていますが、それには長い時間を要するようです。

暗黒物質分布図を使用してモニタリングする

この方法は暗黒物質がどこにあるかを示している地図を使用し、暗黒物質同士が衝突するタイミングでモニタリングするというものです。
暗黒物質は通常レベルの物質を通り抜けるといわれており、何百、何千という物質を通り抜けていくうちに、偶然原子核と衝突することがあるそうです。この衝突が起きたときに、高エネルギーのガンマ線が発生するので、それをガンマ線を確認することのできる宇宙望遠鏡を使用し観測することで存在を見つけるのです。
しかしガンマ線が確実に暗黒物質から発生したという根拠が説明できないため、この方法で暗黒物質を特定することはまだできていません。

暗黒物質同士が衝突するのを見つける

この方法はイギリスにあるダーラム大学のリチャード・マッシーキュジュが中心となっている研究チームが考案したもの。
この研究チームでは、2つの銀河がぶつかる瞬間を観測し、このときいくつかの物体の動きが減速していることを観測しています。そしてこれが暗黒物質同士が衝突して起こったのではないかというのです。しかし銀河のサイズはかなり大きいため、暗黒物質だけを検出するためには、データが巨大すぎるという問題があります。

この考えに似た方法として、「大型ハドロン衝突型加速器(LHC)」を使用する方法も考えられています。この方法では光速に近い速度まで加速した「陽子」同士をぶつけることで、高エネルギー素粒子反応を起こし、亜原子の残骸を調査するというものです。しかしこの機械でも暗黒物質を検知することはできないという問題はあります。

地中から暗黒物質を探す

暗黒物質は宇宙空間だけでなく、この地球上にも存在していると考えられていることから、この方法が考えられています。何十億という暗黒物質の粒子が、私たちの住んでいる世界を常に通り抜けているのですが、人間や動物にはそれを検知することはできません。
理論上では暗黒物質と原子核がぶつかることでガンマ線の発する光を検出できるはず、という考えがこの方法の根底にあります。
「なぜ地中なのか?」と疑問に思う人が多いでしょう。
岩という物質は、放射線をほとんどブロックすることができますが、暗黒物質はすり抜けることができると考えられています。そのため、地下で暗黒物質と原子核が衝突し、ガンマ線が発生するのを検知しやすいのではないかというのです。しかしこれまで何度も実験が行われていますが、暗黒物質を見つけることはできていません。

宇宙を満たしている暗黒物質は謎な物質!

正体
天文学者や物理学者が頭を悩ませている暗黒物質は、存在しているということは認められているものの、現代の科学でもまだどんなものなのか、どこにどれだけあるのかといったことがはっきりとわかっていません。
もしかしたらこれまでの理論を180度変えてみたり、突拍子もない新しい理論が発見されることで、新たな正体が発見されたり、検知方法が見つかる可能性はあります。今後の観測や研究結果に期待したいですね。

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