宇宙の構成要素 　　ダークマター　　　ダークエネルギー

ダークマター　　　

ダークエネルギー

パーリ経典のdhammāとbhūta

参考資料

プランク衛星の観測値

超対称性粒子

ダークマターを弱い重力レンズを使って可視化

ダークマターと天体の質量を求める　　　天体速度から質量を求める

ダークエネルギーの割合を求める式は探求中

ダークマターのない宇宙の発見

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原子でできている通常の物質は宇宙全体の5%にも満たない。　　　ちなみに物質の水素が71%、ヘリウム27%、その他2%

かつては電磁波による観測から求められていた。ところが、様々な研究を通じて必ずしも観測できるものだけが宇宙を構成しているとは考えられなくなった。

やがて宇宙の成分は原子である物質ではなく、エネルギーの比で表されるようになり、未だ正体が判明しないダークマターとダークエネルギーとの割合が多数を占めるようになった。

宇宙マイクロ波背景放射の観測で得た宇宙初期のむらから当初試算されたエネルギー比は、ダークエネルギー72.8%・ダークマター22.7%・物質（原子）4.5%だったが^[17]、宇宙探査機 WMAPや人工衛星プランクの観測によって、2003年以降、精度が高められ、以下の数値になった。^[18][17]。

· ダークエネルギー： 68.3%

· 暗黒物質（ダークマター）： 26.8%

· 原子： 4.9%

目に映る物質の根源や力の法則を明らかにする研究を続け素粒子物理学を構築している。それは宇宙開闢の様子さえ理論化に成功した。ところが、宇宙の研究においてこれらの考察が宇宙全エネルギーの4.9%程度にしかならず、残りの95%は、そのようなものがあるという程度しか理解が及んでいない。この分野への科学的探究が求められている^[17]。

宇宙にある元素は、水素原子が93.3%を、ヘリウム原子が6.49%を占める。^[19]また、観測可能宇宙内の原子の総数は、足し合わせると10の80乗個程度となる。

暗黒物質（ダークマター）についてわかっていること

重力がはたらく　　　　　　　　　→　質量がある　　　

光を放出したり吸収たりしない　　→　見えない

なぜ、「ある」とわかるのか？　　　見えないのに存在しているとわかる理由

そもそも、ダークマターは、どのようなことからその存在が仮定されたのでしょうか。

太陽系を取り巻いているとする「オールドの雲」の提唱者であるヤン・オールトは、1927 年に恒星の運動から銀河の重さを推測しようとして、運動が行われるためには質量が足りないことに気づきました。これが「ミッシング・マス（失われた質量）」問題と呼ばれ、のちにダークマターが仮定されるきっかけとなったのです。

このように、「見えるものを観たら、見えないものが視（み）えてきた」のである。

目には見えないけど、そこには質量のある物質が存在し、その重力によって銀河団がバラバラにならないように銀河団や銀河の形を維持していることが推測された。

1933年、スイスのフリップ・ツビッキーは、地球とは3億光年の距離がある「かみのけ銀河団」が高速で動いていることを観察したが、銀河のまとまりとしての形を維持して保ったままであった。

銀河団とは銀河が100個以上集まっている集合体

それには中心に向かう向心力が働いているはずである。

すなわち重力によって引き留められているはずである。

その重力を得るためには見えているかみのけ座銀河団の質量（光度質量）を全部足しても、銀河が銀河団から飛び出さない質量（力学質量）の400分の１であることが計算してわかった。

具体的な計算式は？

こうしてダークマターの存在は、ダークマターがおよぼす重力によって知ることができる。

つまりここには見えない質量があることを想定せざるを得なくなった。　　1933年の論文で発表。

当時は銀河間ガスが見えていなかったが、現在では銀河とガスの総質料の数倍から10倍のダークマターがあると推測されている。

割合は銀河が数％、ガスが20％、ダークマターが70～80％

その後、1960 年代に行われた銀河の回転速度の観測で、銀河の内側と外側の回転速度かほぼ同じことが判明しました。

本来、星の数が多い（つまり全体の質量が多い）内側の回転速度は速く、星が少ない（質量が小さい）外側の回転速度は遅くなるはずなのだが、両者の速度が同じということは、質量を持った「見えない物質」が存在するからに違いない、という推測が成り立ちます。ダークマターは銀河団の運動を観察した結果、必要となった物質で、その見えない物質をダークマターと呼ぶようになった。

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銀河の回転

回転している物体には、回転の中心から離れる方向に遠心力が働く。銀河の中心の周りを公転している円盤部の星々も同様で、遠心力は銀河の回転スピードが速いほど強くなる。

この遠心力と銀河に存在する物質による重力が釣り合うことで、公転する星々は銀河から飛び出すことなく周り続けることができる。

ところが、銀河の回転速度を実際に測定してみると、銀河団の中で個々の銀河は予想よりも小さな軌道を高速で移動していた。

望遠鏡で確認された銀河団にある物質の量では、とてもその様な高速で小さな軌道を回せるだけの重力が得られなかった。

銀河を構成する恒星の質量から算出された釣り合いの取れる値と比べてかなり速い。

観測された物質量では引き付ける力が弱いので、銀河はより大きな軌道を回ってしまうはずであるので、望遠鏡では見えないけれども、重力を発している未知の物質があるはずだと考えられ。これを「質量欠損問題」と言う。

この回転速度による遠心力と釣り合うためには、実際に輝いている恒星（通常の物質）以外に大きな質量をもつ「何か」の存在が不可欠になる。こ

のことから、光（電磁波）を発しない物質、つまりダークマターが大量に存在すると考えられる。

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1970年代にヴェラ・ルービンが250万光年離れたアンドロメダ銀河を調べてみると、中心付近と外側の星やガスとのスピードがほとんど同じことが観察された。普通は外側に行けば行くほど遅くなるのだが、とても速いスピードで回っており、その速さでも飛んでいかないということは、見えない質量があることを前提とした。　　1970年代の論文で発表

ガスの運動速度はドップラー効果（赤方偏移）を利用して測定された。

ダークマターは電磁波による影響を全く受けない物質であるので、可視光、電波、X線などを発しないので望遠鏡で観測することはできないが、質量を持っているので、通常の物質に重力を介して影響を及ぼす。

2)重力レンズ効果

もう一つのダークマターが存在する理由は「重力レンズ」。重力レンズとは、遠方の天体（銀河など）と私たちの間にある別の銀河や銀河団の重力によって遠方の天体を発した光の進む向きが曲げられることで、遠方の天体の像がゆがんで見える現象である。

重力レンズによる効果は、夜空の複数の方向に同じ銀河の姿が見える事象として観測することができる。

遠方の天体と私たちの間にある銀河・銀河団の質量が大きいほど、遠方の天体を発した光の曲がり方も大きくなる。

ダークマターを直接見ることはできないが、天体の像がゆがんで見える様子を詳しく観測することで、重力レンズ効果をもたらしている銀河や銀河団に存在するダークマターの質量を推定することができる。

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一般相対性理論によると、光も重力により曲げられる。正確には光は直進しているが、質量によって時空が歪むので、曲がるように見える。

銀河の巨大な質量から生じる重力により光は曲げられるので、「重力レンズ効果」と言う。

あらゆる方向から来る光の曲がる度合を詳細に観測し、宇宙における質量の分布図が作成された。

現在では、この図から望遠鏡で観測出来た物質を差し引くことで、どれだけのダークマターがどこにあるのか正確に分かる。

　ダークマターの候補には、ニュートリノやブラックホールが挙がっている。

ニュートリノは従来は質量0とされていたが、現在では僅かな質量を持つことが確認されている。ニュートリノは、物質を通り抜けてしまうので、殆ど観測することが出来ない。

一方、ニュートリノは、宇宙に1立方センチ当たり100個あると言われ、その量も膨大なので、見えない質量の候補となっている。

　また、ブラックホールからは光も脱出出来ないので、望遠鏡で観測することは出来ない。

その巨大な質量によりあらゆるものを引き付けるために、ブラックホールも見えない質量の有力候補となっている。

MACHO　Massive compact Halo Object

質量のある小さなハロー天体を探したらいくつは見つかったが、それほどなかった。

WIMP　　Weakly interactive massive particles

他の物質とほとんど相互作用を起こさない質量の重い未知の素粒子　　

超ひも理論で予想される超対称性粒子？アクシオン？　　

天の川銀河

太陽系の回転速度　230Km／s

１秒間に10万個／1cm²の暗黒物質がすり抜けている、と計算される。

未知の素粒子が陽子の100倍ぐらいの質量があると想定して計算された。

暗黒物質は私たちの母

星が生まれる時、重力によって集まるためには基点が必要となる。

基点が暗黒物質であったであろうと推定される。

欠損質量問題

ツビッキーは銀河団の中にある各銀河の明るさを測定することで求められる全体の質量が、運動する天体の速度から求まる質量と比べてはるかに小さいことに気が付き、速度で求まる質量の値を信じ、その正当性を説明するために、銀河を一つまとめにしておくほどの強力な引力をもつなにかの存在を示唆した。

これが後にダークマターと呼ばれる。

40年後にツビッキーの主張を後押しする出来事が起こる。

アンドロメダ銀河を観測していたヴェラ・ルービンが、銀河が正しく回転していないことを発見し、銀河の回転曲線という問題が浮上した。

万有引力の法則では、天体同士の距離が離れれば離れるほど重力が弱まるが、アンドロメダ銀河では中心から最も離れた場所の星が他の星と同じくらいの速さで動いていた。

質量欠損の起源

自由な陽子と中性子を融合させると、その結合エネルギーに相当する約2.2MeVのガンマ線を放出することが知られている。

一方、重水素の原子核（重陽子）の質量を測定すると、陽子と中性子がそれぞれ別々に存在するときに観測される質量の和よりも約2.2MeV/c²だけ軽い値となる。

アインシュタインの特殊相対性理論によれば、質量とエネルギーは等価であり、E=mc²の関係が存在する。

質量欠損は原子核の結合エネルギーが質量の減少という形で観測されるものであると考えられており、実際の測定結果も非常に良い一致を見せている。原子核の結合エネルギーの大きさは、質量公式によって説明される。

宇宙の年齢と膨張

宇宙の膨張は「天体の明るさから距離がわかる」ことから推定された。

1960年に超新星は水素がないⅠ型と水素のあるⅡ型に分類され、1985年には水素がないⅠ型と水素とヘリウムのないⅠa型に分類されたのがブレイクスルーとなった。

明るいⅠa型ほど、ゆっくりと暗くなり、暗いものほど速くなることがわかり、過去のデータが補正され、Ⅰa型が標準光源となることが1993年にわかりました。

1990年代に入って、伴星からのガスが流れ込み、白色矮星の質量が、太陽の1.4倍にまで達すると、すでに燃え尽きた白色矮星で、再び核融合が再開された大爆発を起こすことがわかった。

白色矮星が大爆発を起こすときの重さがほぼ一定であるため、爆発の明るさがほぼ一定になるので、これを宇宙の距離をはかる物差しとすることができるようになった。

宇宙にあるⅠa型新星爆発の数々を見つけて、赤方偏移もしくは青方偏位を見れば、地球との加速度を測定できる。

つまり、Ⅰa型超新星までの距離（時間）と赤方偏移から、爆発当時の宇宙の大きさを計算することができる。

２つの観測グループの結果は、宇宙誕生から70億年頃に減速膨張から加速膨張に変わった、というものであった。

また、4.9億光年の銀河の分布パターン（バリオン音響振動）を分析した結果も、宇宙の加速膨張を示すものであった。

このバリオン音響振動BAO（baryon acoustic oscillation）とは銀河の分布パターンに周期的に表れる波紋なので、宇宙の物差しとなり、各時代の波紋の大きさを調べることで膨張度を計算することができるようになる。

宇宙の晴れ上がり以前はプラズマ状態にあったバリオンと光子に圧力がはたらき、音波のような振動に満ちていたが、

晴れ上がり以降は、圧力ははたらかず、光子が自由に伝播できるようになると、その振動が止まった。

宇宙背景放射に見られる温度ゆらぎや宇宙の大規模構造は、この振動の位相を反映したものと考えられ、宇宙初期の物理状態を知るうえで、バリオン音響振動は宇宙初期の密度揺らぎに起因していると考えられている。

また、2001年6月に打ち上げられたNASAのWMAP衛星は宇宙誕生から約38万年後の物質のムラを精密に調べ、宇宙に存在する物質の量を導き出しました。ここから現在の宇宙が進化するように計算された宇宙の年齢は137億歳と結論されました。

さらに、2009年5月にESA（欧州宇宙機関）が打ち上げたPlank衛星によりさらに精密測定・計算した結果、2013年3月「宇宙年齢は138億歳」と訂正され、この年齢が現在最も有力な年齢と言われています。（ただし、最近の専門書の中でもまだ137億歳と記述しているものもあります。）

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宇宙背景放射というマイクロ波が全宇宙にあり、これは宇宙誕生から約38万年後に発せられた光だと考えられている。

この波にはごくわずかなまだら模様の「むら」があり、これは宇宙空間の「物質とエネルギー」によって光の進路が曲げられたためだと推測できる。

ある宇宙空間に「物質とエネルギー」の密度が多くあれば、凸レンズのように大きく、

「物質とエネルギー」の密度が負であれば、凹レンズのように小さく、

光がまっすぐ進める密度ならば、理論予測と同じように「平坦」として、理論的には測定される。

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実際には「平坦」であることを示していたが、銀河とガスの物質とその5倍あると推測されるダークマターを加えても密度は３割にしかならば、宇宙を「平坦」にするには、いまだ7割の密度が不足している。

この不足している「何か」の存在をダークエネルギーと名付けることにした。

そして、宇宙膨張の観測事実とダークエネルギーの存在を直接に結びつけることで、この膨張がダークエネルギーの性質の１つであると仮定してみて、宇宙論を考察するという考え方が生じた。

換言すると、物質とダークマターが持つ引力よりも、強い斥力が宇宙を膨張させていると推測でき、その斥力がダークエネルギーであるという仮定である。

プランク (Planck)衛星

宇宙背景放射を観測するための高感度・高分解能の観測装置を備えた宇宙望遠鏡である。ESAで2000年に3番目の中規模計画として計画された。当初はCOBRAS/SAMBAと呼ばれていたが、後にノーベル物理学賞を受賞したドイツのマックス・プランクにちなんで改名された。

NASAのWMAP探査機が広視野・低感度であるのに対し、プランクは対照的である。相補的な成果や宇宙創生期の解明が期待される。

プランクは、2009年5月14日にアリアン5でハーシェル宇宙望遠鏡と共に打ちあげられ、7月にはL2点に投入された。2010年2月には2回目の全天サーベイを開始した。 2013年3月21日に、全天の宇宙背景放射マップが公開された。NASAのWMAPが観測したデータよりも高精度な宇宙背景放射マップが完成し、宇宙の年齢もこれまでよりやや古い約138億年であることが確認された^[1]。

2012年1月14日、2つの観測装置のうちの高周波数装置 (HFI) が冷却用の液体ヘリウム枯渇のため観測を終了した。以降は低周波数装置 (LFI) のみで観測を続けていた^[2] 。LFIによる観測も2013年10月3日に終了し、10月9日にはスラスタを噴射してL2点からの移動を開始し、10月23日に送信機を停止して運用を終えた。プランクは、運用終了までにHFIとLFIの双方を使っての全天サーベイを5回実施した^[3] ^[4]。

観測装置

低周波数装置 (LFI) と高周波数装置 (HFI) ^[5]から成る2台の装置が搭載されており、両方とも30GHzから857GHzの偏波と光子を検出する。

低周波数装置

周波数 (GHz)	帯域 ({\displaystyle \Delta \nu /\nu }Δν/νΔν/ν)	分解能 (角度分)	感度 (total intensity) {\displaystyle \Delta T/T}ΔT/TΔT/T, 14か月観測 (10^-6)	感度 (polarization) {\displaystyle \Delta T/T}ΔT/TΔT/T, 14か月観測 (10^-6)
30GHz	0.2	33	2.0	2.8
44GHz	0.2	24	2.7	3.9
70GHz	0.2	14	4.7	6.7

LFIは3つの帯域があり、30GHzから70GHzをカバーする。検出器はHEMTである^[5]。

高周波数装置

周波数 (GHz)	帯域 ({\displaystyle \Delta \nu /\nu }Δν/νΔν/ν)	分解能 (arcmin)	感度 (total intensity) {\displaystyle \Delta T/T}ΔT/TΔT/T, 14か月観測 (10^-6)	感度 (polarization) {\displaystyle \Delta T/T}ΔT/TΔT/T, 14か月観測 (10^-6)
100GHz	0.33	10	2.5	4.0
143GHz	0.33	7.1	2.2	4.2
217GHz	0.33	5.0	4.8	9.8
353GHz	0.33	5.0	14.7	29.8
545GHz	0.33	5.0	147	N/A
857GHz	0.33	5.0	6700	N/A

HFIは100GHzから857GHzの間で6つの周波数帯を持つ。ボロメータで光子を検出する。4台の低周波帯では感度は線形であるが、2つの高周波帯では違う^[5]。

実は宇宙の年齢は、1999年の時点では120億歳でほぼ確定といわれていました。10億年以上の差はなぜ生じたのか。そこには科学者も想像できないような事実が潜んでいたのでした。

この120億歳という年齢は、女性物理学者のウェンディ・フリードマンらがハップル宇宙望遠鏡で行った研究成果でした。

そもそもハッブル宇宙望遠鏡は、宇宙の年齢を決めること、すなわちハッブル定数を求めることを最優先課題とする望遠鏡です。宇宙の年齢を決めるには、宇宙の膨張速度を決めれば良く、膨張を逆算すれば、はじまりがわかり、年齢を計算できるからです。

フリードマンらは、18個の銀河から800個のセファイド型変光星を選び出し、観測を行いました。セファイド型変光星は、周期的に輝きを変える星で、同じ周期をもつものは、本来同じ明るさをしています。見かけの明るさと本来の明るさをくらべることで、地球からどのくらい離れた星かを計算できるのです。後退速度は、速く遠ざかる星が放つ光ほど、波長が伸びるという赤方偏移を利用して正確に求められます。後退速度を天体までの距離で割ったものがハップル定数であり、この定数を使えば宇宙の年齢が計算できることになります。

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1999年､彼女らは1Mpc(326万光年）離れた星の後退速度を秒速70kmと割り出し、ハッブル定数を70km/s/Mpc と決め、そこから宇宙の年齢を120億歳としました。

彼女らが使ったセファイド型変光星は、素性がよく知られている1億光年以内のものでした。ところが、宇宙は50億～70億年前から膨張速度を加速させていたことが、ハッブル宇宙望遠鏡の別の観測から明らかになりました。1億光年以内の星から求めた後退速度は、宇宙が加速膨張をはじめた後の値です。それ以前の宇宙膨張速度がもっと緩やかであったことを考慮すると、宇宙の年齢はさらに大きな値になるのです。

Description: Description: Description: 地球の科学と自然災害-画像1003 　

この当時、彼女らを含め多くの科学者が、宇宙の膨張速度はビッグバン以来、ほぼ変わらないと考えていました。ここに大きな見込み違いがあったわけです。

ハップルは、他の銀河か天の川銀河から遠さかる方向に移動しているということを発見しましたが、私たちはいまや天の川銀河（太陽系が位置する）が銀河の中心ではないことを知っています。

したがって、天の川銀河自体もある場所から遠さかっていることになるはずです。逆にいえば、すべての銀河が進む方向かわかれば、その基点となる場所、すなわち「宇宙の中心」もわかることになるのです。

しかし、現代天文学では「宇宙の中心はない」と考えられています。よくたとえられる例ですが、銀河が風船の表面に描かれた点だと考えてみましょう。風船を膨らませると、点（銀河）はお互いに離れてゆきます。このとき風船を立体としては考えずに、表面にある点の動きたけを見てみますと、表面に風船の中心というものは存在しないように見えます。要するに、宇宙にも中心かないことになるのです。

また、風船に描かれた点（銀河）の数は変わらないため、隣り合っている点はどんどん離れてゆく一方となります。こうして膨張を続ける宇宙がやがてどうなるか、いくつもの仮説はあるものの、いまだに推測の域を出ていません。

一方、観測結果では宇宙が膨張しつづけているにもかかわらず、膨張を加速するために必要なエネルギーが見つかりません。そこから、同じように「未知のエネルギー」、すなわちダークエネルギーが存在するはずだと考えられました。ダークエネルギーの存在を仮定すると、ビッグバン宇宙論と現在の観測結果が一致するようになるため、この仮定も広く受け入れられるようになったのです。

ちなみに、「ダーク」というと「悪役」「悪者」といったイメージがありますが、ダークマターとダークエネルギーは「暗くて見えない」という程度の意昧でつけられているだけで、決してネガティブなイメージで語られているわけではありません。

［宇宙の姿-8］宇宙からのメッセージ

宇宙が観測可能になるのは、宇宙の晴れ上がり以降になります。それ以前は、原子核から分離した自由電子の動きに邪魔されて、光子は直進できずに散乱してしまいます。光は遠くまで届くことができず、曇ったような状態です。この曇天が晴れ上がるのが、宇宙誕生の約38万年後になります。

このときの光が観測できるはずだと、ビッグバン宇宙を提唱したジョージ・ガモフは予言しました。同時に超高温・超高圧のビッグバン宇宙の熱が宇宙膨張によって冷え、現在は5K（約-267℃）か7K（約-265℃)くらいになっているはずだとガモフは予言したのでした。

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ガモフの予言は、偶然実証されることになりました。 1965 年、ベル研究所で通信衛星の研究をしていたロパート・ウィルソンとアルノ・ベンジアスは、通信用のアンテナをつくっていた。そのアンテナがキャッチする電波の中に、角度を変えようと何をしようと変わらない“雑音”がありました。その強さはつねに一定で、どこを向いても消えることがなかったのです。

「何かはわからないが、とても重要なメッセージを宇宙から受け取っている」と二人は感じました。世紀の大発見でした。この“雑音”こそがビッグバンの名残、ガモフが予言した熱エネルギーが冷えた残りかすだったからです。その電波のエネルギーを温度に換算すると約3Kでガモフの予言にほぼ一致しました。このビッグバンの名残は、3Kの宇宙マイクロ波背景放射（CMB）と呼ばれるようになり、宇宙誕生からわずか38万年後に放たれた光の波長が伸びて現在マイクロ波として観測されたものだったのです。

［宇宙の姿-9］宇宙マイクロ波背景放射（CMB）

発見当初どこを向いても同じだと考えられていたこの宇宙背景放射に実は小さなムラがあることがわかったのは1992年のことです。衛星COBEが宇宙背景放射の温度が正確には2.73Kであること、また全天を観測した結果、温度は一様ではなく小さなムラがあることなどを明らかにしたのです。

［宇宙の姿-6］でも触れましたが、さらに、2001年に打ち上げられた電波天文観測衛星WMAPや2009年のPlankは、COBEより詳細に宇宙背景放射を観測しました。得られた宇宙背景放射のムラは、初期宇宙の物質のばらつきです。物質が濃い部分はさらに周囲の物質を集め、星や銀河、銀河団をつくりました。小さなものから大きなものへと、宇宙は進化したのです。

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［宇宙の姿-10］ダークマター（暗黒物質）の候補

ESAが2009年に打ち上げた天文衛星「Plank」による「宇宙マイクロ波背景放射」の観測によれば、宇宙を構成する物質のうち、私たちが知っている水素やヘリウムなどの物質はわずか4.9パーセントにすぎず、あとはダークマターが26.8パーセント、ダークエネルギーが68.3パーセントという割合になります。つまり、宇宙のほとんどは正体不明の物質やエネルギーで占められていることになるのです。　　　計算式は？

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宇宙を観測すると、銀河は均一に広がっているのではなく、密な部分と何もない部分とに分かれます。また、「宇宙の大規模構造（宇宙の泡構造）」を見ると、何もない空間が泡のように広がっていることがわかります。宇宙かこうした構造になっているのも、ダークマターによる影響と考えられています。

この見えないけれど存在するとされる謎の物質ダークマターの正体として、ニュートラリーノやアクシオン、ダークフォトン、グラビティーノといった素粒子の名が挙がっています。2015 年にノーベル物理学賞を受賞した梶田隆章氏もニュートリノ検出に携わったことで有名な「スーパーカミオカンデ」がある東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設では、ダークマターを直接観測するための「XMASS実験」が進められています。この実験では、バックグラウンドノイズ（観測対象以外の余計な信号など）のほとんどない地下で、液体キセノンを使った検出器で直接ダークマターを見つけ出す試みが行われています。この実験でダークマターの検出に成功すれば、その正体を暴くことができるかもしれません。

＜参考・引用資料＞

「知識ゼロからの宇宙入門」渡部潤一、渡部好恵、ネイチャープロ編集室発行元：幻冬舎

「徹底図解宇宙のしくみ」編集・発行元：新星出版社

「宇宙の秘密がわかる本」宇宙科学研究倶楽部発行元：株式会社学研プラス

「NASA」ホームページ

ダークマターの不思議な特徴

ダークマターは、謎の物質である。謎であるが、ヒントはある。

ダークマターの特徴

・見えない　　　　　　　電磁波を出さない電磁波を出す条件とは？　　素粒子よりも遥かに微細だから？
・でも質量はある

そもそも「見える」とは、どういうことか。

人間の場合、瞳孔から入った光が、水晶体というレンズで屈折して網膜のセンサーにあたり、脳に認識され像を結ぶことで「見える」。このようにして見えるのは、光（電磁波）の一部である「可視光」だ。

広い意味では、物体から届く光（電磁波）がセンサーによって感知されれば、それは「見えた」ことになる。

例えば、サーモグラフィや暗視カメラは、「赤外線」を検知する。真っ暗闇のなかで田畑を荒らすイノシシは、人間の目では見えないが、暗視カメラであれば犯行の様子を「見る」ことができる。

例えば、天文学で使われる望遠鏡は、可視光以外にも、「X線」「紫外線」「電波」といったさまざまな周波数の電磁波を観測することで、生まれたての星、爆発する星、系外惑星やブラックホール（の影）などのいろんな天体を見ることができる。

いろいろな電磁波

しかし、ダークマターは、そういった電磁波を出していない。だから見えない。

さらに、ダークマターは、見ることができないだけでなく、触ることもできない。

日常生活のなかで、私たちが（ふつうの）物を「触って感じる」ことができるのは、「電磁気力」のおかげである。物と物が触れた部分をズームアップして見ると、原子と原子が触れあっていて、それぞれの原子の外側を回る電子と電子が、マイナスとマイナスの電気を持つために反発しあっている。電磁気力があるから、手触りがある。

しかし、ダークマターは電磁気力を感じないため、あらゆる物質をすり抜けてしまう。好奇心の琴線には触れるが、物理的に触れることはない。

ダークエネルギー（dark energy）

現代宇宙論および天文学において、宇宙全体に浸透し、宇宙の膨張を加速していると考えられる仮説上のエネルギーである。2013年までに発表されたプランクの観測結果からは、宇宙の質量とエネルギーに占める割合は、原子等の通常の物質が4.9%、暗黒物質(ダークマター)が26.8%、ダークエネルギーが68.3%と算定されている^[2]。

概要

ダークエネルギーとは、宇宙全体に広がって負の圧力を持ち、実質的に「反発する重力」としての効果を及ぼしている仮想的なエネルギーである。この語は、宇宙論研究者のマイケル・ターナー（英語版）が1998年に初めて作った言葉であるとされる^[3]。現在観測されている宇宙の加速膨張や、宇宙の大半の質量が正体不明であるという観測事実を説明するために、宇宙論の標準的な理論（FLRW計量）にダークエネルギーの効果を加えるのが現在最もポピュラーな手法である。この新しい宇宙論の標準モデルをΛ-CDMモデルと呼ぶ。

現在提案されている2つのダークエネルギーの形態としては、宇宙定数とクインテッセンスがある。前者は静的であり後者は動的である。この二つを区別するためには、宇宙膨張を高い精度で測定し、膨張速度が時間とともにどのように変化しているかを調べる必要がある。このような高精度の観測を行うことは観測的宇宙論の主要な研究課題の一つである。

理論的背景[編集]

宇宙定数は、1917年にアルベルト・アインシュタインによって、静的な宇宙を表すような重力場の方程式の定常解を得るための方法として最初に提案された。このとき、実質的にダークエネルギーにあたるエネルギーを重力と釣り合わせるために用いた。しかし後に、アインシュタインの静的宇宙は、局所的な非一様性が存在すると最後には宇宙スケールで膨張または収縮が加速的に起こるため、実際には不安定であることが明らかになった。宇宙の平衡状態は不安定であり、もし宇宙がわずかに膨張すると、膨張は真空のエネルギーを放出し、これはさらなる膨張を引き起こす。同様に、わずかに収縮する宇宙は収縮を続ける。このような種類の擾乱（）(じょうらん)は、宇宙に広がる物質の非一様な分布のために不可避である。また、より重要な点として、エドウィン・ハッブルの観測によって、宇宙は膨張しており、静的ではありえないことが明らかになった。この発見の後、宇宙定数は歴史上の奇妙な存在としてほぼ無視されることとなった。アインシュタインは静的宇宙とは対照的な動的宇宙のアイデアを予測できなかったことは人生最大の失敗だったと言及したことは有名である。

アラン・グースは1970年代に、ダークエネルギーに似た偽の真空の概念を提唱した。これは、最初期の宇宙においてインフレーションを駆動する機構である。1980年代には佐藤勝彦およびグースが、ごく初期の宇宙で宇宙定数が宇宙のインフレーションを起こした可能性を提案した。インフレーションは、質的にはダークエネルギーに類似するある反発力を仮定し、ビッグバンのほんのわずか後の宇宙の指数関数的膨張を引き起こす。そのような膨張は現代ビッグバン宇宙論にとって不可欠な特徴である。しかしながら、インフレーションはわれわれが今日観測するダークエネルギーよりもはるかに高いエネルギー密度で生じるはずであり、宇宙が誕生後一秒の大きさになったときに完全に終結すると考えられる。もしあるとしても、ダークエネルギーとインフレーションの間にどのような関係が存在するのかは明確ではない。インフレーションモデルが広く受け入れられた後でも、宇宙定数はごく初期の宇宙においてのみ重要であり、現在の宇宙とは無関係であると信じられていた。しかし、1990年代の終わりに人工衛星と望遠鏡の黄金時代を迎えると、遠方の超新星や宇宙背景放射を高い精度で測定することが可能になった。これらの観測で驚くべき結果が得られたが、これらの結果のうちのいくつかは、何らかの形でダークエネルギーが現在の宇宙に存在すると仮定すると、最も簡単に説明できるものだった。

“ダークエネルギー”と言う用語は、フリッツ・ツビッキーが1933年に提唱した“暗黒物質(ダークマター)”になぞらえて、マイケル・ターナーによって1998年に作られた^[4]。1990年代後半、重水素の観測からビッグバン原子核合成におけるバリオン質量が確定し、セファイド変光星の観測からハッブル定数が精度よく決められ、銀河団の質量から暗黒物質の割合が求められた。宇宙定数（後の暗黒エネルギー）を含む宇宙モデルを使えば、球状星団から推定される宇宙年齢を矛盾なく説明できると1995年には指摘された^[5]。最初の直接的なダークエネルギーの証拠は、ソール・パルマッター^[6]とアダム・リース^[7]らのチームが独立に超新星を観測して、その距離を決定したことから加速的膨張を発見し、同時期にその結果を発表した。これらの観測によりΛ-CDMモデルが導かれることとなった。これまでの超新星の観測結果に、遠方の超新星を加え、ハッブル宇宙望遠鏡、欧州連合のVLT望遠鏡、カリフォルニア大学のケック望遠鏡、そして日本のすばる望遠鏡の観測を加え、宇宙背景放射 (CMB)、バリオン音響振動（英語版） (BAO)の観測を合わせると、宇宙は減速膨張から加速膨張へ 66.2億年前に移行し、現在では宇宙のエネルギーの72.9%（観測誤差1.4%)を暗黒エネルギーが占めていることが測定されている。また、宇宙の状態方程式は7%の精度で求められ、曲率は0.6%の精度でΛ-CDMモデルを支持していることが観測からわかっている^[8]。

2013年3月21日、欧州宇宙機関は、プランクによる観測の結果、宇宙の質量及びエネルギーに占めるダークエネルギーの割合は68.3%であると発表した^[2]。

観測的証拠[編集]

現在、ダークエネルギーの存在は、主に以下の3つの観測手段によって支持されている。

超新星

1990年代後半、ハイゼット超新星探索チーム^[7]と超新星宇宙論計画^[6]の二つの国際的研究観測チームが、遠方のIa型超新星を観測することにより、宇宙が加速膨張をしていることを独立に相次いで立証した。現在の宇宙の全エネルギーの7割を、ダークエネルギーが占めるという観測結果は、大きな驚きをもって迎えられた。この発見の功績により、2011年ノーベル物理学賞は、ソール・パールマッター、ブライアン・P・シュミット、アダム・リースの3者に贈られることになった^[9][10]。Ia型超新星とは、白色矮星を含む連星のうち、白色矮星がもう一方の星からの質量降着によりその質量が、チャンドラセカール限界に達した瞬間に超新星爆発が起きる現象をいう。

チャンドラセカール限界で白色矮星が超新星爆発する時の質量が、太陽質量の約1.4倍であり、光度がほぼ一定であることから、標準光源として距離の測定に使われている。

タイプIa型超新星爆発の最大光度は、母銀河の光度に匹敵する明るさになるため、遠方銀河までの距離の測定が可能になった。ダークエネルギーの発見から10年、精度を上げる観測が精力的に行われ、現在までに700個以上の超新星の観測が報告され、さらに大規模な観測が計画されている。日本のすばる望遠鏡も、遠方の超新星の観測に貢献している^[11]。今日でも、暗黒エネルギーの最も正確な測定は、タイプIa型超新星によるものである。

宇宙背景放射

宇宙背景放射の非等方性から、宇宙論パラメータを求めることができる。特に、宇宙の平坦性は主に宇宙背景放射の観測によるものであり、宇宙背景放射観測衛星WMAPは2001年の打ち上げ以来、高精度の宇宙論パラメータの決定を可能にし、大きな成果を上げている。WMAPの最新の宇宙背景放射の観測からも、ダークエネルギーの存在が強く支持されている。

バリオン音響振動

バリオン音響振動（英語版）とは、宇宙の晴れ上がりの際、後に銀河や星を構成することになるバリオンの共鳴していた距離が凍結され、銀河間の特徴的な距離がおよそ140メガパーセク (Mpc)（約4.57億光年）として銀河分布に刻まれる現象である。

私たちからある距離に存在する明るい銀河の特徴的な分布を角度として測り、その角度をこの凍結された距離として解釈することにより、宇宙論パラメータを解くことができる。大規模な銀河探索であるスローン・デジタル・スカイサーベイのチームが、銀河の分布からバリオン音響振動の観測に初めて成功し、その結果は2005年に発表^[12]された。その後も検証が続けられ、最新の観測結果もダークエネルギーの存在を強く支持している。

現象論的性質

ダークエネルギーには互いに反発する性質があるため、宇宙膨張を加速する原因となりうる。これは物質優勢の宇宙という伝統的な描像で膨張の減速が起こると予想されているのとは対照的である。宇宙の加速膨張は多くの遠方の超新星の観測から示唆されている。

宇宙の全エネルギー密度の研究からも別の議論がもたらされている。理論的・観測的研究から、宇宙の全エネルギー密度は宇宙がちょうど平坦になる（すなわち、一般相対性理論で定義される時空の曲率が大きなスケールで 0 になる）ような臨界密度に非常に近いことが昔から知られている。（特殊相対性理論の E = mc² から）エネルギーは質量と等価なので、これは通常、宇宙が平坦になるのに必要な臨界質量密度と呼ばれる。光を放出する通常の物質の観測からは、必要な質量密度の2-5%しか説明できない。この足りない質量を補うために、ダークマターと呼ばれる目に見える光を放出しない物質の存在が長い間仮定されてきた。

しかし、1990年代に行われた銀河や銀河団の観測で、ダークマターをもってしても臨界質量密度の25%しか説明できないことが強く示唆された。もしダークエネルギーが臨界エネルギー密度の残りの約70%を補えば、全エネルギー密度は宇宙が平坦であるのに必要な量と矛盾しなくなる。

ダークエネルギーの正体

このダークエネルギーの真の正体は現状ではほぼ推測の対象にすぎない。ダークエネルギーは一般相対論の宇宙定数 (Λ) で表される真空のエネルギーではないか、と考える人々も多く、実際、これはダークエネルギーに対する最も単純な説明である。宇宙定数は、時間や宇宙膨張によらず宇宙全体に存在する一様密度のダークエネルギーと解釈できるからである。

これはアインシュタインによって導入された形式のダークエネルギーであり、私たちの現在までの観測と矛盾しない。ダークエネルギーがこのような形をとるとすると、これはダークエネルギーが宇宙の持つ基本的な特徴であることを示すことになる。これとは別に、ダークエネルギーはある種の動力学的な場が粒子的に励起したものとして生まれるとする考え方もあり、クインテッセンスと呼ばれている。クインテッセンスは空間と時間に応じて変化する点で宇宙定数とは異なっている。クインテッセンスは物質のように互いに集まって構造を作るといったことがないように、非常に軽くなければならない（大きなコンプトン波長を持つ）。今のところクインテッセンスが存在する証拠は得られていないが、存在の否定もされていない。

インフレーションとの関係

ダークエネルギーはインフレーション宇宙論と密接に関係しているという点は注意が必要である。インフレーションはダークエネルギーと定性的に同様の、何らかの反発力の存在を前提としている。これによって宇宙はビッグバンの直後に急速な指数関数的膨張を引き起こす。このような膨張はほとんどの現在の宇宙論や構造形成論の本質的な特徴である。

しかし、インフレーションは現在私たちが観測しているダークエネルギーよりももっとずっと高いエネルギー密度で起きなければならないし、宇宙の一生の初期で完全に終わっているはずだと考えられている。したがって、ダークエネルギーとインフレーションの間にもし関係があるとしても、それがどのようなものなのかについては分かっていない。

ダークエネルギーが示唆する未来

もしも仮想的なダークエネルギーが宇宙のエネルギーバランスにおいて支配的であり続けるなら、現在の宇宙膨張は加速し続け、ついにはド・ジッター宇宙として知られる文字通り指数関数的な膨張となる。

このモデルでは、重力的に束縛されていない構造は見かけ上、光速を超える速度でばらばらに飛び去ることになる。宇宙に関する私たちの知識は光速より遅く伝わる信号によってしか得られないため、この加速によって最終的には、現在見えている遠方の宇宙を見ることすらできなくなる。しかし、ダークエネルギーの密度が増えなければ、銀河や太陽系など現在重力的に束縛されているどんな構造もそのまま残る。したがって私たちの地球や銀河系は、宇宙の他の存在が全て私たちから離れ去ってもほぼそのまま存在し続ける。

あるいは、ダークエネルギーは一定ではなく、時間とともに増えているかもしれない。「ファントムエネルギー」と呼ばれるこのシナリオでは、宇宙に存在する全てのものは原子に分解され、最後にはビッグリップによって吹き飛ばされてしまい、構造のない空っぽの宇宙が残される。

また、最終的にはダークエネルギーは時間とともに散逸し、物質にかわり、宇宙は互いに引き合うようになるかもしれない。このような不確定性があるために、やはり重力が宇宙を支配し、やがては宇宙が自ら潰れるビッグクランチに至るという可能性も未だ残されている。

2018年、すばる望遠鏡に取り付けた超広視野のカメラで約１千万の銀河を精密に観測した結果、宇宙を広げるダークエネルギーはそれほど増えておらず、宇宙は年齢の１０倍ほどの時間(約1400億年)は存在できることがわかった、という論文が東京大学と国立天文台などのチームによって公開された^[13][14]。

私説の仮説の叩き台　　　　ダークエネルギーとダークマター

宇宙を膨張させている力をダークエネルギーと呼ぶ

空間そのものが持つエネルギーのこと。

対生成と対消滅を繰り返しているエネルギー

ダークエネルギーとはパーリ語経典のdhammāのこと。

Dhammāは宇宙の「意」によって増大する。

Dhammāの偏りがgatiであり、そこからできる物質がbhūta、すなわちダークマターである。

このbhūtaはプランク係数以下の大きさなので、光で計測することができない。

すなわち素粒子よりはるかに微細である。

このbhūtaが集まって、素粒子、そして原子となる。

ダークマターは銀河を生む「種」だと物理学者カルロス・フレンクは表現するが、この種というのはまずダークマターの密のところに原子からなる物質（ガス）が重力で引き寄せられて、星や銀河できるという意味であって、ダークマターから原子が生まれるという意味ではない。

ダークマターの特徴はあらゆる電磁波も発しないということはプランク係数以下の物質だということなのか？

ダークマターの特徴は速度がほぼ０、すなわち冷たい物質である。

もし熱いのであれば、速度があり、収縮しづらくなるからである。

ダークマターがあることを仮定したシミュレーションを吉田直紀は画像にしたが、その計算式は？

重力レンズ効果を使って、ダークマターの3次元マップを作成　　　COSMOSプロジェクトによる

熱はダークマターを生み出す。

宇宙の物質とダークマターの比率は15:85

ダークエネルギーは塊（むら）gatiとなる引力もあるが、お互いに離れる斥力もある。

原子に弱い力と強い力があるように。

お互いのダークエネルギーは距離を取る（斥力）ので、膨張する。

しかし、中には偏りとなることがある。

エネルギーと熱と最小値

お互いを引き合う力がダークマターにはある。

ダークマターがgatiではなく、微細物質bhūtaのためである。

ダークマター同士は引き合う力が働いているのは、

対して、宇宙を膨張させるのがダークエネルギーの斥力である。

宇宙の一時的終末とは、膨張が止ることを意味する。

膨張の力とは何か？　　

可能性を考慮する。

ダークエネルギーは誕生から膨張の停止まで、つねに拡がる性質を持つ。

ダークマターが分解してエネルギーに変換したもの。

ダークマターや物質はは引き合う力があるので、マターがなくなれば膨張する力が露わになる。

なぜ宇宙が膨張してもダークエネルギーの力は薄まらないのか？

ダークエネルギーもしくはDhammāはその空間そのものが持っている力なので、膨張した分だけのdhammāが存在する。

プルシャがプラクリティを見つめると、そこでバランスが崩れ、エネルギーが生じるようになり、空間から力が湧き上がる。

減速から加速膨張に変わった理由は？

70億年ほど前から「意識」が増加して、そこからダークエネルギーが産出されたたから。

宇宙の膨張が速いと、ダークマターのムラが成長する前に引き伸ばされるためにムラができにくくなる。

換言すれば、ダークマターのムラを見ると、宇宙膨張の歴史が推測できる。

なぜ膨張が止まるのか？

すべての熱がダークマターに変換されたので、引力が斥力を上回った。

ダークエネルギーがダークマターに変換した。

物質とダークマターの引力とダークエネルギーの斥力がつりあった。

なぜ縮小するのか？

ダークマターの引き合う力によって膨張した空間が収縮する。

ダークエネルギーが塊になって、ダークマターに変換するから。

なぜ爆発膨張したのか？

ダークマターの集合体が一点に集まりエネルギーが爆発した。

その時にダークマターが物質になる転換と

ダークマターがダークエネルギーに転換する

２つの流れがあった。

これが物質化と宇宙膨張の理由である。

空間が膨張すると、その分だけダークエネルギーの斥力が生じる。

ダークエネルギー（光、熱、）のためである？。

その時に宇宙の膨張は終わる。

そしてダークマターはその重力によって100億年かけて収縮する。

原子と電子の間には膨大な空間があるが、ダークマターはまだ電子になっていないので、引き合うことも反発することもなく、ダークマターとダークマターの間には空間がないので、限りなく最小値を取ることができる。

最小値になるとXが起点となり、その堆積したエネルギーからインフレーションが起こり、ダークマターが素粒子、そして原子に変換する。

参考資料

偏光面（光の波の振動方向）から、暗黒物質・暗黒エネルギーがパリティ対称性を破る力を推測する

ビッグバン直後の火の玉状態だったころの宇宙の輝きは、現在も宇宙全体に広がっている。宇宙の膨張に伴って光の波長が伸び、現在ではあらゆる方向から届くマイクロ波（宇宙マイクロ波背景放射、CMB）として観測される。もし暗黒物質や暗黒エネルギーがCMBと何らかの相互作用をしていれば、その痕跡をとらえることで性質を知り、正体の解明につなげることができる。

特に注目されるのが、光の波の振動方向である「偏光面」だ。通常の物理法則は、鏡に映した世界でも全く同じように働く。このような状態を「パリティ対称」と呼ぶが、素粒子の世界ではこのパリティ対称性が破れる現象が存在する。もしCMBと暗黒物質や暗黒エネルギーの相互作用がパリティ対称性を破るものだった場合、CMBの偏光面はわずかに回転していると予想される。

ただし、CMBの偏光面の回転はごくわずかである一方、そのCMBを観測する検出器の仕組みによってどうしても「見かけ上の偏光面の回転」が発生してしまう。これまでは、観測された偏光面の回転から、検出器に由来する回転を精度よく差し引く手立てがなかった。

Description: Description: Description: Description: CMBの光の偏光面の回転の発生と観測の概念図
暗黒物質・エネルギーと作用して宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の光の偏光面がわずかに回転して観測されることを示したイラスト。138億年前に放射されたCMB（図中左の円）の光の波（オレンジ線）の振動方向である偏光面が暗黒物質・エネルギーとの相互作用によってベータ（β）度だけ回転し、現在観測される光（図中右の円）となる。回転により、偏光のパターン（円の中の黒線で描かれた模様）が変形して観測される。図中円の色ムラは、宇宙マイクロ波背景放射の温度のムラ（温度ゆらぎ）を表し、赤いほど高温、青いほど低温であることを示す（提供： Y. Minami/KEK）

高エネルギー加速器研究機構（KEK）素粒子原子核研究所の南雄人さんとマックス・プランク宇宙物理学研究所/東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU）の小松英一郎さんのチームは、天の川銀河内の塵が放つ別の光に注目した研究でこの問題に取り組んだ。

天の川銀河内の塵が放射する光が地球に届くまでの距離は、CMBの光が約138億年かけて地球に届く距離と比べてはるかに短く、光の偏光面はほぼ回転しない。つまり、暗黒物質・暗黒エネルギーとの相互作用による偏光面の回転は、CMBの光のみで見られる。一方、検出器に由来する回転は、どちらでも同じように観測できるはずだ。したがって、両者の差をとれば、パリティ対称性を破る相互作用によるCMBの偏光面の回転をとらえられる。

南さんたちはヨーロッパ宇宙機関の宇宙背景放射観測衛星「プランク」の観測データにこの解析手法を適用し、これまでの2倍の精度で検出器に由来する回転を取り除くことに成功した。求められたCMB偏光面の回転角は0.35度前後であり、99.2%の確率で0ではないという。言い換えれば、暗黒物質・暗黒エネルギーが本当にパリティ対称性を破る相互作用をCMBとの間で起こしている確率は99.2%である。

パリティ対称性が間違いなく破れていると認められるには99.99995%以上の確からしさが要求されるので、今回の結果はまだ「発見」とは言えないが、今後もこの手法でCMBの観測を続けることで、確率を上げていくことができると期待される。

「アクシオン」と呼ばれる新しい素粒子の候補はパリティ対称性を破り、暗黒物質や暗黒エネルギーの候補として注目されている。アクシオンは地上の素粒子実験でも探索されているが、暗黒エネルギーとしてふるまうような小さい質量のものは宇宙観測によってしか検証ができないため、CMB観測への期待は高い。

かつてない広さと解像度のダークマター地図 https://www.subarutelescope.org/jp/results/2018/02/26/853.html

最終更新日：2020年3月17日

　国立天文台、東京大学などの研究チームは、すばる望遠鏡搭載の超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam を用いた大規模探査観測データから、重力レンズ効果の解析に基づく史上最高の広さと解像度を持つダークマターの「地図」を作成しました (図１、動画)。この「地図」からダークマターの塊の数を調べたところ、最も単純な加速膨張宇宙モデルでは説明できない可能性があることがわかりました。加速膨張宇宙の謎を解き明かす上で新たな知見をもたらす成果です。

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図１: HSC の銀河の形状から弱重力レンズ効果を利用して再構成した、ダークマターの２次元分布図。濃い部分がダークマターのかたまりが観測された場所を表します。今回観測された 160 平方度のうち、約 30 平方度の連続した領域を示しています。特にダークマターが集中している場所をオレンジの丸で示しています。丸印を省いたものはこちら。(クレジット：国立天文台/東京大学)

加速膨張宇宙の謎

1930年代のエドウィン・ハッブルらによる宇宙膨張の発見は、静止している宇宙から運動している宇宙へと、人類の宇宙観に大きな転換をもたらしました。宇宙全体の運動を記述するためには、膨張していく「空間」とその中にある天体により生じる「重力」の関係が必要でしたが、アインシュタインがその方程式をすでに準備していたおかげで、アインシュタイン方程式に立脚する現代的な宇宙論分野が成立しました。

宇宙膨張の速さは宇宙開闢以来その年齢と共に減速しているだろうと、当初は考えられていました。天体間に働く重力は互いに引き合う「引力」だけだからです。しかしながら1990年台後半に、数 10 億光年くらい前のある時期から膨張が加速に転じていることが遠方の超新星の観測から発見され、大問題になりました。単純に物質と重力だけを考えているだけでは観測された加速膨張宇宙が説明できず、斥力 (相互を遠ざけるように働く力) を生じるような「何か」を導入しなければならなくなったからです。

この斥力に対応する「宇宙定数」をアインシュタイン方程式に導入することで、観測を再現する宇宙膨張の方程式を得ることができます。宇宙定数を加味したもっとも単純な宇宙モデル (LCDM) からは、宇宙は未来永劫膨張をし続けるなど重要な結論が得られています。ただし、「宇宙定数」の物理的意味がまだ理解できていないのです。何が加速膨張を引き起こしているのかを明らかにするのが、現代観測宇宙論の主要テーマの一つです。

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図２: 宇宙膨張の歴史。観測的宇宙論の初期には青で示された膨張史が正しいと思われていました。しかし、この青の宇宙モデルだと、宇宙年齢が観測より短すぎる、天体の数が観測より多すぎるなどの問題点が指摘され、赤のほうが確からしいと考えられるようになりました。青、赤ともに膨張の速さは次第に減速しています。さらにその後、遠方の超新星の観測から緑の (加速する) 膨張史を示す宇宙モデルが観測に最も合うことが示されました。(クレジット：国立天文台)

Hyper Suprime-Cam を使った深宇宙撮像探査観測

加速膨張宇宙の謎を解き明かすことを主目的として、国立天文台、東京大学を始めとする研究チームは、すばる望遠鏡搭載の超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam (ハイパー・シュプリーム・カム、HSC) を用いた大規模な深宇宙撮像探査観測を進めています。宇宙のごく初期では物質分布はほぼ均一でしたが、わずかな密度ムラがのちに重力相互作用で成長し、「宇宙の大規模構造」と呼ばれる網の目状の物質分布に進化してきたことが知られています。大規模構造が進化する速度は宇宙膨張の歴史と強い関係にあり、例えば宇宙膨張が速ければ物質はなかなか集まれず、大規模構造の進化は遅くなります。この大規模構造進化の観測から逆に宇宙膨張史に迫れることに研究チームは注目し、観測を進めているのです。

ただし銀河のように光っている天体だけをいくら観測しても、大規模構造の進化を精密に測定することはできません。宇宙における物質のほとんどは、光を発しないダークマターが占めているからです。そこで研究チームは、ダークマターが引き起こす「重力レンズ効果」を利用して、ダークマターの分布、つまり「地図」を作る努力を続けてきました。

　遠方の銀河から発せられた光は観測者に届くまでの間、ダークマターの密度の濃い領域・薄い領域を通り抜けてきます。この途中にあるダークマターの質量が引き起こす重力レンズ効果で、銀河の見かけの形状は少しずつ変形して観測されます (図３)。逆に言えば、背景の銀河の形状から宇宙空間にあるダークマターの分布を調べ、ひいては大規模構造の進化に迫ることができるのです。

しかしこのためには非常に暗い銀河の形状を精度よく計測する必要があります。さらにダークマターの塊を探すためには、広い天域を探査する必要があります。そこで研究チームは、広い視野を有しつつ天体をシャープに写し出すことができる HSC を開発し、2014年から観測を続けているのです。2018年3月現在で計画のおよそ 60% まで観測が完了しています。

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図３: すばる望遠鏡 HSC が撮影した、ダークマターの塊の位置における銀河分布の例 (おとめ座の方向)。ダークマターの強い重力に引き寄せられて、多数の銀河が集まっていることが分かります。青い円弧状に引き延ばされた銀河が多数見られますが、これは背景の銀河が重力レンズ効果により引き延ばされたものと考えられます。(クレジット：国立天文台)

かつてない広さと解像度のダークマター地図

　今回研究チームは、2016年4月までに HSC で観測されたデータ (計画全体の約 11%) を解析し、かつてない広さと解像度を持つ新たなダークマター地図を作成することに成功しました。160 平方度に渡る広範囲かつシャープな画像には 2000 万個以上の銀河が写っており、重力レンズ解析からダークマターの２次元分布を推定したのです (図１)。平均 0.56 秒角 (視力 100 以上に相当) もの高い解像度で銀河を撮影し、それを用いてダークマター分布の様子を描き出した例は、これまでにありませんでした。2015年7月に公表された HSC による最初のダークマター地図の約 70 倍の広さです。

観測された全天域は５色のフィルターで撮影されています。これらの多色画像を比較すると各銀河の色情報が得られ、銀河までの距離を推定することができます。一方で重力レンズ効果による天体像の歪みは、レンズの役割を果たすダークマターが光源である銀河までの距離のちょうど中間にあるときに最大になります。研究チームはこれを利用して銀河の距離ごとに解析を行うことで、まるで断層写真を撮影するようにダークマターの３次元分布を得ることにも成功しました (図４)。

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図４: 背景銀河の奥行き情報 (赤方偏移) と組み合わせ、弱重力レンズ効果を利用して推定したダークマターの３次元分布図。(クレジット：東京大学/国立天文台)

図４は、約 10 億光年 × 2.5 億光年の範囲、80 億光年ほどの奥行きについてダークマターの分布を示した例です。これほど広い天域でダークマターの３次元分布が得られた例はありません。この３次元地図を作成するためには、背景にある遠方の銀河の観測が必要でしたが、すばる望遠鏡の大集光力がそれを可能にしたのです。

現在の結果が示唆することと将来への期待

　研究チームは、作成した地図からダークマターの塊の個数やそれぞれの質量を計測しました (図５)。まさにこれが宇宙の大規模構造の進化速度の指標です。観測されたダークマターの塊の個数 (縦軸) とその重力レンズ信号の強度 (横軸) の関係が、図４のヒストグラムに示されています。これを、最新のプランク衛星による宇宙マイクロ波放射の観測結果と標準的な LCDM を組み合わせた理論予想値 (赤線) と比較したところ、今回の HSC による観測結果が理論予想値を一定の有意度で下回っていることが分かったのです。

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図５: HSC のデータに基づいて作成したダークマター地図から計測したダークマターの塊の個数とそれぞれの質量の関係 (ヒストグラム) と、最新のプランク衛星による宇宙マイクロ波放射の観測結果と標準的な LCDM を組み合わせた理論予想値 (赤線) との比較。(クレジット：国立天文台/東京大学)

この食い違いは何を意味するのでしょうか？宇宙マイクロ波放射ではほぼ宇宙が誕生した直後を観測しています。この時の温度揺らぎの大きさが物質の密度ゆらぎの種になり、これが膨張宇宙の中で成長してダークマターの塊が形成されていきます。宇宙マイクロ波放射の温度揺らぎの大きさと宇宙モデルを決めるとダークマターの塊の個数を予測できますが、これが観測と違うということは仮定している宇宙モデルである LCDM に「ほころび」があるということを示唆します (注１)。

今回の結果は観測計画全体の 11% (注１) のデータに基づくものなので、まだピークのサンプル数が少なく誤差がやや大きいことに注意しなければなりません。銀河形状の２点相関関数を用いた、より詳しい解析を現在行っています。またプランク衛星の観測結果も今後更新される可能性があります。これまでに LCDM が高い精度で棄却されたことはありませんが、この問題は大きな関心を集めていますので、データの食い違いをより高い優位度で検証するためにさらなる観測の進捗が必要です。

この研究成果は、日本天文学会欧文研究報告 (Publications of the Astronomical Society of Japan) の「HSC特集号」に2018年1月1日付で掲載されました (Miyazaki et al. 2018, "A large sample of shear-selected clusters from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program S16A Wide field mass maps", PASJ, 70, S27; Oguri et al. 2018 "Two- and three-dimensional wide-field weak lensing mass maps from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program S16A data", PASJ, 70, S26)。またこれらの研究成果は、科学研究費補助金 JP15H05892, JP15H05887, JP15H05893, JP15K21733, JP26800093, JP15K17600, JP16H01089 および科学技術振興機構 (JST) CREST JPMJCR1414 によるサポートを受けています。

(注１) 真空には場の量子効果によるエネルギーがあり、これが宇宙定数の候補です。しかし、宇宙膨張の度合の観測から推定されている宇宙定数のエネルギー密度は、この真空エネルギーに比べて 100 桁以上も希薄であり、その差の説明が難しいとされています。斥力を発するのは、何かまだ知られていない物理機構が背景にあるとする方が自然だと考えられるようになり、これはダークエネルギーと呼ばれるようになりました。単純な LCDM ではなく、宇宙初期にはエネルギー密度が現在より高いようなダークエネルギーモデルを考えると、ダークマターの集まり方が遅くなり、観測された塊の少なさを説明できるようになります。

アクシオンとは？

ダークマターの正体や人類が存在する理由など宇宙の3つの謎に迫る粒子「アクシオン」とは？ -

https://gigazine.net/news/20200316-axion-dark-matter-universe-mysteries/

アクシオンには宇宙の3つの謎を解く鍵が秘められているとの説を発表したのは、ミシガン大学の物理学者であるRaymond Co氏と、プリンストン高等研究所の素粒子物理学者・張ヶ谷圭介氏です。

両氏は、「宇宙の在り方を説明する現行の標準理論には、明らかな矛盾が存在しています」と指摘しています。

by ParticlesAndMath

アクシオンが鍵を握っているとされるのが、以下の3つの「謎」です。

◆謎1：強いCP問題
そもそもアクシオンは、素粒子物理学上の未解決問題である「強いCP問題」を説明するために考案された粒子です。　 charge conjugation symmetry (C) and parity symmetry (P)

原子を構成する陽子と電子にはそれぞれ正と負の電荷があり、中性子には電荷がありません。

しかし、中性子を構成するクォークには電荷があるので、本来なら電界と相互作用を引き起こすはずですが、実際には相互作用が確認されていません。

この「強いCP問題」は標準理論だけではうまく説明できませんが、アクシオンが存在すると仮定された場合には、中性子と電界との相互作用が起きないので、問題も発生しないのだとのこと。

◆謎2：ダークマターの正体
また、アクシオンはダークマターの正体としても期待されています。観測可能な宇宙の物質をかきあつめても、全宇宙に存在する質量とエネルギーの総和の5％に過ぎず、残りの95％は不明です。仮にダークマターが存在すれば、95％のうち25％は説明可能ですが、標準理論にはダークマターの候補となる粒子がありません。

もしダークマターが存在しなければ、重力不足で銀河の星々が散り散りになってしまい、銀河は今の形状を保つことができません。そこで登場するのがアクシオンです。他の物質と相互作用を起こさないほど質量が小さいとされるアクシオンですが、このアクシオンで銀河系の中が満たされていれば、銀河が今の形状になっていることが説明できます。

by Maxwell Hamilton

◆謎3：物質の存在
そして、最も根本的な問題は、「なぜ宇宙に物質が存在することができているのか？」というもの。

宇宙のはじまりとされている大爆発ビッグバンでは、物質と反物質は同じ量だけ発生したと考えられています。

しかし、物質と反物質が衝突すると対消滅を起こして膨大なエネルギーとともに質量が消滅してしまうため、もし物質と反物質の量が釣り合っていたら目に見える宇宙は存在せず、人類も誕生していません。

この「物質と反物質の非対称性」という謎の答えになるのが、アクシオンの存在です。Co氏と張ヶ谷氏は、初期の超高温の宇宙が冷えはじめた時にアクシオンが振動を始めたことで、物質が反物質よりわずかに多く誕生した可能性が高いことを突き止めました。このアクシオンの運動により生み出された「反物質を上回る物質の量」は、反物質の100億分の1程度だとされていますが、それでも今の宇宙の姿を説明するには十分な量だとのこと。

宇宙の誕生に関わるアクシオンの働きを、両氏は「アクシオジェネシス(Axiogenesis)」と名付けました。Co氏は「初期の宇宙におけるアクシオンの動きは、さながらペットボトルの底を回るビー玉のようなものです。アクシオンが円を描くようにして回転することで生じた振動から、現在の宇宙を形作った物質が発生しました」と説明しました。

Co氏はさらに、「人は常に、『なぜ自分がここにいるか？』の理由を問い続けてきました。素粒子物理学の見地からすると、この問いかけは『なぜ物質と反物質が非対称なのか？』ということになりますが、その答えとなるのがアクシオンです。ワクワクすることに、アクシオンに関する私たちの発見は、この問題を含む3つの謎をすべて同時に説明できます」。

また、張ヶ谷氏は「アクシオンは当初、理論素粒子物理学者によって提唱された存在でしたが、近年では実践派の粒子物理学者や天体物理学者、宇宙論学者などが協力してアクシオンの研究に乗り出しています。私たちの研究により、アクシオンの回転が宇宙論の中で果たす役割が明らかになったことで、学際的な取り組みが一層発展することを願っています」と述べて、今回の発見は多分野にわたる研究に資するものだとの見方を示しました。

· アクシオンという新粒子がダークマター^＊1のエネルギーをきっかけとして運動を始めることで、宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転するという観測結果を説明可能であることを示しました。

· アクシオンが運動を始めたのは長い宇宙の歴史の中で最近になってからなのはなぜか、という理論的な疑問点を解消しました。

· これにより、アクシオンという新粒子を通して宇宙マイクロ波背景放射の偏光とダークマターが密接に関連している可能性が開かれました。

【概要】

宇宙マイクロ波背景放射は宇宙に満ちている光であり、高温状態にあったビッグバン宇宙の名残として、宇宙の晴れ上がりと呼ばれる時期から現在までまっすぐに飛んできています。2020年11月、宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転している兆候があることが、偏光データの解析から指摘されていました。

このような効果をもつ新しい素粒子として、超弦理論が予言するアクシオンがあります。非常に軽いアクシオンは宇宙の晴れ上がりの時期以降に運動を始め、この運動によって宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転することが知られています。しかし、アクシオンが運動を始めたのはなぜこの時期になってからなのか、という疑問が残っていました。

東北大学学際科学フロンティア研究所の山田將樹助教、大学院理学研究科の高橋史宜教授および中川翔太大学院生の研究グループは、アクシオンがダークマターのエネルギーによって質量を得ることで運動を開始する機構を提唱しました。

この機構によると、宇宙の晴れ上がりの時期と、ダークマターが宇宙のエネルギー密度を支配し始める時期が非常に近いことから、アクシオンが必然的に宇宙マイクロ波背景放射の偏光に影響を与えることになります。

アクシオンがダークマターのエネルギーによって質量を得るには、新しい相互作用が必要になります。本研究では、標準理論の四つの力に加えてもう一つの未知の力が存在し、それに付随する磁気単極子がダークマターとなるシナリオに着目しました。

今後の宇宙マイクロ波背景放射の観測とダークマターの探査実験によって機構が確かめられれば、宇宙論および素粒子理論の発展に大きく貢献します。

本研究の成果は、米国現地時間の2021年10月28日、学術誌『Physical Review Letters』に掲載されました。

Description: Description: Description: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/item20211029_02_axion.jpg

図1.アクシオンの運動 (右上図の赤点) に伴って、宇宙背景放射 (左上図) の偏光面が回転していることを示す模式図。左下のグラフの各線はダークマターと物質 (実線)、輻射 (赤破線)、ダークエネルギー (緑点線)、のエネルギー密度の時間発展を示している。等密度時から現在に近い時期までダークマターと物質が優勢な時期になっており、その時期にアクシオンが運動する。宇宙の晴れ上がりは等密度時の直後におこるため、宇宙背景放射の偏光面が必然的に回転する。

【用語解説】

＊1 ダークマター
宇宙に存在している見えない未知の物質。重力の相互作用を通して銀河などの宇宙の構造の形成に密接に関わっている。特に物質優勢期にはダークマターのエネルギーが宇宙の主要な成分になる。ダークマターが具体的にどのような粒子なのかは分かっておらず、それを直接捉えようと世界中で様々な探査実験が行われている。

謎の解明に一歩前進…ダークマターはサイズにかかわらず同じ振る舞いをする

· Susie Neilson　　　Sep. 17, 2020, 03:30 PM TECH INSIDER

· Description: Description: Description: コンピュータでのズームインシミュレーションにより作成したダークマターの分布図。右上はダークマターハロー。左下の図で点のように見えるのは、地球サイズのダークマターハロー

コンピュータ・シミュレーションにより作成したダークマターの分布図。右上はダークマターハロー。左下の図で点のように見えるのは、地球サイズのダークマターハロー　　　J. Wang, S. Bose/CfA

ダークマターは、宇宙にある物質の85%を占めると考えられている。しかし、光と相互作用を起こさないため、これまで観測されたことはなく、研究は困難だ。
ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究者などからなるチームは、シミュレーション・モデルを作成し、ダークマターハローは大きさにかかわらず、その構造には一貫性があることを明らかにした。
小規模なダークマターハローは発見しにくいが、ガンマ線望遠鏡を使えば発見できる可能性があると考えられている。

ダークマター（暗黒物質）は、骨格のように宇宙を形作っている。

捉えることが困難なこの物質は、宇宙にあるすべての物質の85%を占めると考えられている。ダークマターの重力が惑星、恒星、銀河といった目に見える物体に与える影響については観測することができる。だが、ダークと言われるのには理由があり、光と相互作用を起こさないため、現代の観測技術では見ることができないのだ。

もしダークマターを見ることができれば、どのように見えるのか。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究者などからなるチームは、ダークマターを含む宇宙の物質の構成を模倣した複雑なシミュレーション・モデルを作成した。これは、ビッグバンから現在に至るまでの宇宙をダークマターでモデル化したシミュレーションだと研究者たちは述べている。

このシミュレーションでダークマターが宇宙でどのように分布しているのかが視覚的に表現された。｢宇宙のクモの巣（cosmic web）｣として知られる構造だ。下図には、ダークマターがハローと呼ばれる塊を形成し、それらが長いフィラメント（糸状のもの）でつながっている様子が示されている。このフィラメントに沿って、ガスがハローの中心に流れ込み、集まったガスによって星や銀河が形成されると考えられている。自動車が高速道路を通って都市に集まっていくようなことだ。

Description: Description: Description: ｢宇宙のクモの巣｣と呼ばれるダークマターの分布を、コンピューターでズームインシミュレーションした様子。画像全体に散らばる黒い点は、ダークマターハローを表している。

｢宇宙のクモの巣｣と呼ばれるダークマターの分布のコンピューター・シミュレーション。画像全体に散らばる黒い点は、ダークマターハローを表している。　　J. Wang; S. Bose/CfA

ダークマターが何でできているのか、確実なことは誰にもわからない。当然、そのことはシミュレーション・モデルの作成に当たって障害になる。そこで研究チームは、ダークマターに関する最も一般的な理論に基づいてモデルを作成した。それは、陽子の100倍の質量を持ち、相互作用が弱い粒子（WIMPs：weakly interacting massive particles）で構成されているというものだ。

シミュレーションにより、｢宇宙のクモの巣｣をよりよく視覚化できたことに加え、ダークマターの普遍的な特性と考えられる現象の発見にもつながった。つまり、ダークマターが一貫して同じようなハローを形成しているということだ。すべてのハローはサイズにかかわらず、中心部の密度が最も高く、端にいくほど密度が低くなるという構造を持っている。

｢これらのハローは、それぞれ異なる時代、異なるプロセスを経て形成されたが、いずれも予測可能で普遍的な振る舞いを示している｣

Business Insiderにそう語ったのは、ネイチャーに掲載された論文の共著者であるソーナック・ボーズ（Sownak Bose）だ。

研究チームがシミュレーションしたハローには、地球と同じくらいの質量から太陽の1000兆倍の質量のものまである。またすべての銀河はハローに取り囲まれていて、銀河の目に見える物質の10倍から100倍の質量を持つという。

ボーズによると、それぞれのハローの質量には大きな幅があるにもかかわらず、驚くような一貫性があるという。｢太陽の何億倍もの質量を持つ銀河団と、地球と同じ質量で太陽の100万分の1のサイズのハローの画像を比べたとしても、見分けることはできないだろう｣とボーズはプレスリリースで述べている。

検出可能なガンマ線がハローから放出される可能性

この新しいシミュレーションは、検出可能な物質を取り囲んでいない小さなダークマターハローに光を当てた。大規模なハローは取り囲む銀河を観測することで、間接的に研究ができるが、小さなハローを探すには、WIMPが衝突する際の｢ダークマター対消滅｣によって放出されるエネルギーを検出する必要がある。

WIMPがハローの中心部近くでぶつかり合うと、ガンマ線バーストが発生する。研究者たちは、ガンマ線望遠鏡がこれを検出できるはずだと考えているが、まだ誰もダークマターの対消滅によるガンマ線バーストを検出したことはない。

｢ダークマターの対消滅を観測することが、小規模なダークマターハローを見つける唯一の方法だ｣とボーズ氏は述べた。

Description: Description: Description: フェルミガンマ線宇宙望遠鏡での観測に基づき作成されたガンマ線スカイマップ。

フェルミガンマ線宇宙望遠鏡での観測に基づき作成されたガンマ線スカイマップ。

NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

小規模なハローは、ビッグバンからまもない、宇宙の密度がより高かった頃に形成されたため、大規模なハローよりも、密度が少なくとも2、3倍大きい。つまり、小規模なハローの中心部では、より多くのWIMPの衝突が起きており、ガンマ線望遠鏡を用いてダークマターを発見するチャンスがあると考えられる。

今回のシミュレーションによる発見で、そもそもダークマターがなぜハローを形成したのか、そしてどのように相互作用しているのかといった疑問が沸き上がってくるだろう、とボーズは述べている。

｢これまで不可能だった、ダークマターの性質についての根本的で深遠な問いを投げかけることができるようになる｣

「暗黒エネルギーは存在しない」ことを示す新説

宇宙は加速膨張しており、その原因は検出できない暗黒エネルギーと言われている
これは宇宙のどの位置でも光度が一定になるという天体Ⅰa型超新星の観測から明らかとなった
今回の研究はⅠa型超新星が常に一定という理論を否定しており、そのため暗黒エネルギーも否定されるという

暗黒エネルギーとは、宇宙の加速膨張の原因なっていると考えられている未知のエネルギーのことです。

宇宙の加速膨張を提唱した研究者たちは、ノーベル物理学賞を受賞。今では多くの天文学者たちが、まったく検出できない謎の暗黒エネルギーを特定しようと研究を行っています。

しかし、暗黒エネルギーはあまりに謎が多いので、それを探すより否定する材料を探している科学者も多く存在します。

今回発表された研究では、宇宙の加速膨張を支持する観測自体に問題があると指摘しています。

暗黒エネルギーに関する議論を行う以前に、そもそも宇宙が加速膨張しているという問題を再検討する必要があるというのです。

果たして暗黒エネルギーは本当に存在するのでしょうか？

この研究は、韓国延世（ヨンセ）大学校とフランスのリヨン大学及び、韓国天文研究院（KASI）の研究者による共同研究として発表され、天文学の論文誌『Ast rophysical Journal』の2020年1月号にも掲載が決まっています。現在はプレプリントサーバー『arXiv』で論文を読めます。

そもそも「暗黒エネルギー」とは何なのか？

フォースの暗黒面のような印象を受けてしまう「暗黒エネルギー（ダークエネルギー）」ですが、ここで使う暗黒という言葉は、「まったく未知の検出できないもの」という意味で使われているものです。

黒いわけでも邪悪なわけでもありません。また、暗黒物質と呼び方が似ているためよく混同されますが、暗黒物質とも関係はありません。

暗黒エネルギーとは、重力に逆らって宇宙空間を膨張させていく未知のエネルギーのことを指しています。

宇宙は万有引力の影響で、基本的には収縮する力が働いています。一般相対性理論を発表したとき、アインシュタインも自身の重力場方程式の中にそうした作用があることに気づきました。

しかし、アインシュタインは宇宙が縮むとは想像できなかったため、何らかの作用によって宇宙は不変の状態に保たれているはずだと考えました。

そこで、重力場方程式の中に、宇宙の収縮を押し止める斥力として宇宙項を導入したのです。

この宇宙項がいわゆる暗黒エネルギーを表すものでした。しかしその後、1929年に天文学者のエドウィン・ハッブルが宇宙が膨張していることを観測により発見します。

縮むはずの宇宙が膨張している原因は、その後ビッグバンという現象により説明されることになります。ビッグバンの巨大な爆発力が今も続いていて、宇宙は重力に逆らって膨張を続けているわけです。

こうなると、不変の宇宙を維持するための宇宙項は不要の存在です。このためアインシュタインも間違いを認めて、式から宇宙項を撤回したのでした。

Ia型超新星の観測

宇宙の膨張はビックバンの爆発が元になっているため、次第に減速していくと考えられていました。

しかし1998年に、アメリカの2つの観測グループが相次いで「宇宙の膨張速度は加速している」と報告したのです。

これはIa型（いちえいがた）超新星の観測から明らかにされました。

Ia型超新星とは、白色矮星が起こす特殊な超新星爆発のことを指します。

白色矮星は、核融合の燃料を使い果たして死んだ星です。しかし、これが近接した連星を持つ場合、その星の物質を奪い取って再び活性化することがあるのです。

白色矮星は、星として維持できる質量の限界が決まっています。これをチャンドラセカール限界といい太陽の1.4倍以上の質量になることはありません。そのため伴星から物質を奪い限界質量に達した白色矮星は、超新星爆発を起こすのです。

この超新星爆発がIa型超新星と呼ばれます。この超新星の重要なところは、全てがほぼ同じ質量で発生するため、ピーク時の光度がどの天体でもほぼ一致しているということです。

明るさがみんな一緒ということは、地球から見て明るさが異なるとき、それは純粋に距離の影響と考えられます。

以上が、Ia型超新星が宇宙で正確に距離が測定できる天体だといわれる理由です。

このIa型超新星は、90億光年という遠方からでも確認でき、遠い宇宙の様子を探るためにも利用できます。遠い宇宙の天体はハッブルが発見した通り、赤方偏移という光のドップラー効果を起こしながら離れていきます。

複数のIa型超新星は正確に距離の違いが測れるので、その赤方偏移の状態を比べることで、宇宙の大きさと時間変化を調べることができます。

こうした観測方法の結果、宇宙は減速しながら膨張しているのではなく、加速して膨張していることがわかったのです。

蘇る宇宙項

この発見により再評価されたのが、アインシュタインの宇宙項です。

宇宙が加速膨張しているという状態は、宇宙項を含めたアインシュタインの重力場方程式で表すことができます。

そして宇宙項を含めたアインシュタイン方程式を改めて計算すると、それは不思議なほど観測事実と一致したのです。

この結果、宇宙には通常の物質と、足りない重力を補う未知の暗黒物質（おそらく未検出の素粒子）以外に、約7割の暗黒エネルギーが含まれているはずだとわかりました。　　　　計算式は？

そのため、暗黒エネルギーは一般的に知られているエネルギーとは意味が異なり「負の圧力」を表しています。宇宙に不足している重力を補うために仮説されている、暗黒物質とは異なるものです。

暗黒エネルギーは観測間違いなのか？

今回の研究は新規の研究ではなく、同じ研究者が2016年に発表した論文の修正版となる研究です。Ia型超新星がどの時間を観測しても、常に光度が一定であるという考え方に疑問を投げかけています。

研究グループは超新星を含めるホスト銀河の年代などを観測することで、Ia型超新星の光度進化が銀河の年代や人口（星の数）によって異なることを発見しました。

この結果、Ia型超新星をすべて一定と仮定する観測には問題があるとし、加速膨張という宇宙モデルには再検討が必要だと主張しているのです。

しかし、この研究の主張については疑問の声もあがっています。

暗黒エネルギーや宇宙の加速膨張は、Ia型超新星の観測だけから主張されているものではなく、宇宙背景放射やバリオン音響振動など複数の観測からも支持されているものです。

また、今回の研究はサンプル数が少なく、現行で支持されている宇宙論を覆すには不十分な内容だと指摘する声もあります。

なんにせよ暗黒エネルギーは、「21世紀のエーテル」に例えられるくらい未知の存在です。これを単なる真空エネルギーと考える研究もあれば、高次元から漏れてくるエネルギーと捉える研究も存在しています。

もちろん今回のように、その存在を否定する研究も数々存在しています。エーテル理論も結局否定されたように、暗黒エネルギーはもしかしたら将来否定されることになるのかもしれません。

真相は今も、藪ならぬ闇の中です。

参考文献

ダークマターとダークエネルギー　Newton

ダークマター　　Barry Paker

ホーキング、最後に語る

「ダークマター」の可視化 　弱い重力レンズを解析

──宇宙を支える「巨大な網目」が浮かび上がった

質量はもつが、ほかの物質とは相互作用せず、光を吸収することも反射することもない。科学者たちが宇宙で起こる現象を説明するために考え出した謎の物質「ダークマター」の可視化に、カナダのウォータールー大学の研究者たちが初めて成功した。

これまで不可視だった暗黒物質が、ついに“見えた”。

宇宙の大規模構造の説明に有力な、「冷たい暗黒物質」（コールドダークマター）モデルを裏付けるような画像の可視化に、カナダのウォータールー大学の研究者たちが初めて成功した。

われわれが光学的に観測できる物質だけでは、宇宙は完全たりえない──見ることのできる物質だけでは、回転する銀河の遠心力と重力の釣り合いが取れなく、銀河内の星々を繋ぎ止めておくだけの重力が足りないからだ。

しかし、銀河が形を保持するに十分な重力を補っているこの“欠損質量”は、星のように輝いたりしないし、光を吸収することも反射することもない。しかも、ほかの物質とはほとんど相互作用しないくせに、なぜだか銀河のある場所にくまなく存在している。

電磁波を観測する天体望遠鏡では直接見ることはできないが、背景の天体像のゆがみを引き起こす重力的な作用から、間接的にその存在をおぼろげにする巨大な質量──謎に包まれたこの物質が、暗黒物質（ダークマター）と呼ばれるゆえんである。

不可視なものを「見る」技術

われわれに観測可能な星や銀河の分布は、クモの巣のような網目構造をつくっていることが、これまでの研究からわかっている。そしてこの網目のネットワークは、ビッグバン後まもなく密度がわずかに高い場所にダークマターが凝集してフィラメント（膜のような構造）をつくり、クモの巣状に進化したのではないか、というのが現在までで最も有力な説だ。

今回、直接観測することができない不可視の物質を、「弱い重力レンズ」の影響を調査することで可視化に成功したのは、マイケル・ハドソン博士率いるカナダのウォータールー大学の研究者たちだ。

重力レンズとは、星や銀河などの光源と地球の観測者までの間に巨大な重力源があると、周辺の時空が曲げられて、対象となる星や銀河が歪んだ像となって見える現象のことをいう。そのなかでも「弱い重力レンズ」とは、レンズ源の影響が比較的弱く、多くの天体画像を集計することで、統計的に僅かな歪みがあると判断することができる技術のことだ。

彼らは、45億光年先にある銀河のペアの画像2万3,000枚を合成し、銀河間に存在するとみられる「弱い重力レンズ」の影響を解析。その結果、宇宙の大規模な構造に大きく関与しているとみられる、熱運動の速度が非常に小さく、ほかの物質とは重力だけしか相互作用しない、「冷たい暗黒物質」（コールドダークマター）を可視化することに成功した。

冒頭の画像では、ダークマターのフィラメントが銀河間を橋のように繋いでいる様子を確認することができる。またこの解析結果は、2つの銀河の距離が4,000万光年未満である場合、銀河間を繋ぐフィラメントの力が最も強く働くことも突き止めた。

「研究者たちは、ダークマターのフィラメントがクモの巣のような巨大構造を織りなし、銀河同士を繋いでいることを、何十年も前から予測していました」と、ハドソンはプレスリリースにて述べる。

「この画像は、予測の域を超えて、（ダークマターを）われわれが見て計測できる“何か”にしてくれることでしょう」

これまで数々のシミュレーションでは、暗黒物質の分布が「冷たい暗黒物質」モデルの特徴と一致することを示唆していた。

今回発表された画像も、同モデルを裏付けるものだ。この研究の詳細は、『Royal Astronomical Society』に掲載されている。

ダークマターと天体との割合を求める方法

天体速度から質量を求める方法

https://takatsukagaku.com/geosciene-education/

https://www.shimadzu.co.jp/kokonimo/article/03.html

https://planet-scope.info/planet-phys/sitsuryou.html

上記のサイトなどを中心に引用させていただき編集しています。

ケプラーの第３法則で、連星どうしの重心からの回転運動が求められるので、

これを太陽などの天体の質量や

天体の公転速度からその内側の全質量を求める式に応用する。

この計算で観測できる物資と、計算式とのギャップが約5倍あることから

ダークマターがあることが推察された。

$Description: C:\Users\NM\Desktop\03_img_02.jpg$

天体と中心の距離の３乗／天体の公転周期の２乗＝C（中心にある天体の質量＋天体の質量）

C：万有引力定数を4と円周率の二乗で割ったもの　　　　G／4π²

r3／T2 = GM／4π²

公転速度は　v=2πr／T　

万有引力　　　　　　　　F=G×Mm／r²　　　

遠心力の大きさ　　　　　F=mv²／r　　　　

月の量り方

17世紀、天体物理学者のケプラーは、太陽と惑星の軌道に不思議な関係があることを突き止めました。

太陽と惑星の距離（r）の３乗と惑星の公転周期（T）の２乗の比は、どの惑星でも同じであるということ。

地球の公転周期は１年で、太陽の間の距離を１とすると、rの３乗÷Tの２乗は１。

一方、金星から太陽まで距離は0.72で、公転周期は0.62年ですから0.97で、ほぼ１です。火星にも木星にも、この関係は当てはまります。これは「ケプラーの第３法則」と呼ばれる。

ここにニュートンの万有引力の法則を組み合わます。

あらゆる物体は重力を持っていて、それは質量に比例します。

惑星は、太陽とお互いに重力で引っ張り合っていますが、公転による遠心力が働き、太陽に引き寄せられることなく、力が釣り合うところを周回しています。

つまり太陽と惑星の距離と、公転周期は、その質量とも一定の関係があります。

太陽と惑星の距離の３乗／惑星の公転周期の２乗＝C（太陽の質量＋惑星の質量）

C：万有引力定数を4と円周率の二乗で割ったもの

ここに実際の数字を当てはめると、金星の質量は地球の約0.8倍。太陽系最大の惑星、木星は約318倍です。

月の質量を求めるには、太陽と惑星の関係を地球と月に置き換えても同じ。

また、もし月の周りをなんらかの天体が回っていれば、月とその天体の間でも同じ公式が当てはまります。

もちろん、月の周りを周回する天体はありません。

しかし、人工衛星を飛ばせば別。2009年に月を周回したかぐやの質量は約3000kgで、高度100kmの周回軌道を約２時間で一周しました。

この数値を公式に当てはめると、月の質量は6755京トン。

他にもいろいろな計算方法がありますが、この方法は天体の質量を計算する方法として、もっともよく使われるもので、はるか何光年も彼方の星の質量を量るのにも使われています。

太陽系から約4光年離れたケンタウルス座α星は太陽の1.1倍、約８光年離れたシリウスは太陽の２倍です。

恒星なのに同じ方法が使える理由は、恒星のうち、約半分は“兄弟星”を伴っていることがわかっています。

つまり、２つ以上の恒星がお互いに重力で引き合って公転軌道を描く連星なので、公転しているのであれば、互いの距離と公転周期から合計の質量がわかります。

それぞれの恒星の質量を求めるには、そこからもう一工夫して、軌道の重心からの距離を測ります。

例えば、フィギュアスケートの男女ペアがお互い手を取り合ってスピンをすると、男性の方が重心に近い内側を回転し、女性は外側を回るようになります。

これは連星も一緒。重い恒星は重心に近く、軽い恒星は遠いところを回っています。重心からそれぞれの恒星までの距離を測れば、それぞれの恒星の質量が算出できるというわけです。

ケプラーの第3法則と万有引力の法則を使って質量を求める順序

万有引力の式　　　　　　F=G×Mm／r²(1)

遠心力の大きさ　　　　　F=mv²／r　　　　(2)

公転速度　　　　　　　　　v=2πr／T　　(3)
(3)の両辺を2乗した　　　v²=4π²r²／T²(4)

(1)と(2)が等しいことを使う

中心部と天体を結ぶ重力と天体の遠心力とが釣り合うことで、公転する天体は軌道から飛び出すことなく周り続けることができる。

(4)を(2)に代入して

F=G×Mm／r²=　　m×4π²r²／T²／r　　　　(5)　　　　　

(5)を整理して　　r³／T²=GM／4π²　　⋯(const)　

$Description: C:\Users\NM\Desktop\kepler-low.jpg$

連星や衛星の質量は，２天体間の距離 r, 天体の質量 M と m，および共通重心からのそれぞれの公転半径を，a,　b として，
　r　=　a+b　　　　Ma=mb　　　　　　　　　　　　　　(6)から
　b　=　rM／M+m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)　　

天体 mm の遠心力は　　F=mv²／b　　　　　　　　　　　　(8)
公転周期 T から v は　T=2πb／v⟶　v=2πb／T　　　　　(9)
v² は　v²=4π²b²／T²　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)

(10)を(8)に代入して遠心力とし，
半径r ではたらく万有引力　F=GMm／r²(11)
と等しいとして(7)を代入してbを消去すれば，r³T²=G(M+m) ／4π² 　(12)
が導き出される。

地球と太陽の場合にも，地球の質量を m，太陽の質量を M として(12)式が成り立ちますが，m はM に比べて非常に小さいので無視して
r³／T²=GM／4π²　　　　　　　
と示せる。

太陽系ではこのとき，距離を天文単位，周期を年とすれば，地球の場合 r³／T²=1　になるので
G／4π²=1／M　　であることになる。

M は太陽の質量で，これを質量単位として１にすれば，G／4π²=1　となるので，

恒星（連星）の質量は　r³／T²=G(M+m)／4π²　　に　G／4π²=1　　を代入して

r³／T²=(M+m)

という式で求めることができる。

ただし，周期の単位は年，距離は天文単位で，質量は太陽を１とした値になる。

さてこの公式をどのように連星の運動に当てはめるかですが，観測データから公転周期は分かったとする。

連星どうしの距離ですが，これには次のような関係で求めることができる。　　　　　　　　　　　　　　　　連星までの距離は年周視差から求められるが，面倒な計算をしなくても，公転距離は地球からの見かけの角距離と下図のような関係になっているので，年周視差と角距離の比が，そのまま地球太陽間の距離（1天文単位A.U.）と恒星A,B間の距離の比になっている。

$Description: C:\Users\NM\Desktop\renseinokido.jpg$

具体的な例では，地球に最も近いケンタウルス座α星のA,Bが公転周期が80年（ピッタリ），

年周視差0.74秒，角距離17.7秒でちょうど距離が24天文単位であったり，

シリウスのA,Bは公転周期50年，年収視差0.375秒で角距離が7.5秒でぴったり20天文単位であるので、

計算問題に都合の良い値でなので、明るさと距離なども含めて毎年試験問題になる。

太陽の質量

地球は太陽の周りを円運動していると仮定する。

円運動をしている物体に働く中心力Fを求める。

ここで、mは地球の質量、Vは地球の公転速度、Rは太陽から地球までの距離とする。

Ｆ＝mV²/ R　　　　遠心力を求める式

・太陽と地球の距離 R = 1．50 x 10¹¹ m

・地球公転速度 V = 3．00 x 10⁴ m/s

・万有引力定数 G = 6．67 x 10^-11 m³/ s²・kg

地球の公転運動の場合は、太陽と地球間に働く万有引力が中心力になる。

万有引力の法則と遠心力の力は等しいので

上記の式は以下のように書き換えられる。

G mM / R²＝mV² / R　　　　

↓

V²＝MG / R

↓

MG = V² ・ R

M = V² ・ R / G = 9．00 x 10⁸ ・ 1．50 x 10¹¹ / 6．67 x 10^-11

M = 2．0 x 10³⁰kg

太陽・木星・月の質量を求める

(問題)

太陽、木星、月の質量を求める原理を考えて説明せよ。

ただし、ロケットや探査機などの宇宙技術は用いないで地球からの観測で求められる方法に限る。また、対象とする天体の半径や公転周期は観測により求められるものとする。

(解答)

　自らの周りを他の天体が周回しているような天体、(惑星を持つ星、衛星を持つ惑星など)の質量は、天体の大きさ(半径)とその天体の周りを周回する天体の周回の周期が分かればケプラーの第3法則により求めることができる。

　この問題の中では太陽と木星がこれに当てはまる。以下、その求め方を論ずる。

ケプラーの第3法則は「惑星が太陽の周りを周回する周期の2乗は楕円軌道の半長弦の3乗に比例する」というものである。

ケプラーの第1法則「惑星の運動は位置平面内で起こり、その軌道は太陽を焦点の一つとする楕円軌道を描く」、ケプラーの第2法則「太陽と惑星を結ぶ直線が単位時間に装荷する面積(面積速度)は一定である」を用いて、これを物理学的に解釈すると、

$Description: C:\Users\NM\Desktop\astrophysics2_1.jpg$

よって、天体観測によりTを求め、さらに惑星と星の間の距離が観測により分かるので、その惑星の質量を求めることができる。

また、衛星を持つ惑星ならば、惑星と衛星の間の距離と衛星の周期を観測によって知ることができれば、この方法と同様にしてその惑星の質量を求めることができる。

実際に数値を代入して質量を求める。

G＝6.67×10^－11m³ kg-1 s^-2

(太陽と地球の距離)＝1.5×10¹¹ m、

T(地球の公転周期)＝1年＝3.15×10⁷ s、

π＝3.14

とすると、太陽の質量はM＝2.01×10³⁰ kgと求まる。

同様にして、木星の場合は最大の衛星ガニメデを用いて、

T(ガニメデの公転周期)＝7.155日＝6.18×10⁵ s、 (ガニメデの公転半径)＝1.07×10⁹ mといった観測からの数値より、木星の質量mは

m＝1.89×10²⁷ kg

と求まる。

このようにして太陽と木星の質量を求めることはできる。しかし、月の周りを回る天体はないため、望遠鏡による天体観測と計算によるこの方法は使うことができない。

人工的に月の周りを周回する人工衛星を打ち上げ、その運動の様子からこの方法を用いて計算することはできる。

そこで別の方法を考えると、月の質量は地球・月系の共通重心を求めれば、月の質量を求めることができる。理論的には太陽や木星の質量もこの方法でも求められるが、太陽とその他の惑星の質量の大きさの差があまりにも大きいため精度が落ちると考えられる。地球と月は大きさが1/4程度しか違わないため、質量の違いも太陽と惑星ほど大きくはないと考えられる。

具体的には以下のようにして求める。

$Description: C:\Users\NM\Desktop\astrophysics2_3.jpg$

※今回この解答で求めた太陽と木星の質量は、教科書などに乗っている数値と比較しても精度が高いが、月の質量はそれらに比べるとやや制度が劣る。

3つともケプラーの第3法則を用いるが、月だけはさらに共通重心に関連してもう1回分計算をしなければならず、そこで誤差が増大してしまうのだと考えられる。

暗黒物質

天の川が扁平な形をしているのは、地球が天の川銀河の端の方にあって、銀河を横から見ているからだ。

地球は銀河の中心から2万8000光年も離れたところにある。

天の川銀河の厚みは1500光年しかない。

銀河の中心には昔爆発した超新星という星がたくさんあって、放射能汚染が進んでいて人は住めないだろうと言われている。

逆に銀河の端に行くと、星をつくるガスがほとんどないので、生命体が住むには難しい。

太陽系は銀河系においてはちょうど良い場所に位置しているということができる。

Description: chart_opinion231-09-768x637

　天の川銀河の端の方にある我々の太陽系は銀河の中を公転している（図10）。公転速度は毎秒220 kmのスピード。
　太陽系はこのように高スピードで公転しているのに、なぜ銀河から飛んで行かなかったのか。

飛んで行かないためには、何かが引っ張ってくれなければならない。

しかし、引っ張ってくれる星々の重力だけでは足りない。

ということは、望遠鏡では見えない何かがあって、その重力によって我々太陽系は銀河の中におさまっていることになる。

Description: chart_opinion231-10-768x634

暗黒物質は原子ではない

　暗黒物質の正体がわからないのに原子ではないとわかるのはなぜか。

図15は人工衛星のX線で捉えたもので、真ん中のピンク色に写った部分は何十万度という高温になっている水素やヘリウムでできたガスである。

一方、青く塗ってあるところは、暗黒物質の弱い重力レンズの効果で、ここに暗黒物質があると推測できる。

$Description: C:\Users\NM\Desktop\chart_opinion231-15-768x642.jpg$

　しかし、暗黒物質の重力で銀河が留まるとすれば、暗黒物質とガスは本来一緒にいるはずなのにずれている。

左側も右側も青とピンクのペアがあるが、ずれている。

右側の銀河団と左側の銀河団が毎秒4500 kmのスピードで衝突した顛末だということが推察された。

両方の銀河団は暗黒物質の塊で、ほんのわずかガスが入っている。

2つの銀河団が衝突すると、ガス同士は原子だから、原子は大きさがあるので、衝突すると反応して、摩擦ができて熱をもち後れをとる。しかし、暗黒物質は何事もなかったかのように通り抜けてしまう。ガスは摩擦があったので後れをとったのだが、暗黒物質が重力で引っ張られて暗黒物質について行っている。

　わかったことを整理してみる。

銀河団といえども基本的には暗黒物質で成り立っている。

銀河団同士が衝突すると、ガス同士は衝突して反応して熱くなって摩擦ができて遅れをとる。

しかし、暗黒物質とガスはそのまますり抜けてしまう。

暗黒物質同士もすり抜けてしまう。

衝突しても反応しなかったので、少なくとも原子でないことは明らかである。

ビッグバンの濃度は平坦であるが、ほんのわずかの暗黒物質の濃淡があり、暗黒物質の濃い所が周囲のものを引っ張ると、もっと濃くなってもっと引っ張る。すると、重力がさらに強くなるから、もっと周囲のものを引っ張ってもっともっと濃くなる。すると、重力がさらに強くなるのでもっと引っ張る。それを繰り返すうちに、コントラストがはっきりしてくる。つまり、濃い所と薄い所ができる。濃い所にはガスが引き込まれるから、ガス同士は反応して光を出すと冷えて固まって星ができ銀河ができる。

これは「構造形成理論」と言われるもので、2019年にノーベル物理学賞を受賞したジム・ピーブルズ氏が提唱した理論だ。

一方、暗黒物質がないという設定でコンピュータシミュレーションを行うことができる。暗黒物質がないと、138億年経過しても、暗黒物質の重力がないので、重力が足りなくて物が集まることができず、コントラストが出来ず、星も銀河も我々も生まれないということになる。

ブラックホールが暗黒物質なのか

　2020年にアンドレア・ゲズ氏とラインハルト・ゲンツェル氏がブラックホールについての研究でノーベル物理学賞を受賞した。我々の住む銀河の中心が図17真ん中の星印で示したところである。

銀河の中心は塵が多いので、普通の光では観測できない。

銀河の中心は塵がたくさんあるが、赤外線を使用すると、塵を回り込むくらい波長が長いので観測ができる。

二人のそれぞれのチームは赤外線を使用してブラックホールを観測した。

星がブラックホール付近を通過する時に高重力で引っ張られることを観測した。

ブラックホールには太陽質量の400万倍の質量があることがわかった。

ブラックホールに入る直前にはガス同士がすれて摩擦ができて光る。

ブラックホールに入ってしまったガスが二人によって観測できた。

Description: chart_opinion231-17-768x636

　さらに遠くを見るとM87銀河という銀河が見える（図18）。楕円銀河の一種で丸い恰好をしている。我々の住む銀河系の約10倍で約1兆個の星でできている。細長い線状に見えるのは、熱いガスが高スピードで噴き出しているのが写し出されたもので、「ジェット」と呼ばれている。この現象もおそらく銀河の中心に巨大なブラックホールがあるがゆえに生じていると推察される。 $Description: C:\Users\NM\Desktop\chart_opinion231-18-768x634.jpg$

グリーンランドや南極やチリやハワイにある望遠鏡をネットワークでつないで一つの望遠鏡として使用できれば地球サイズの望遠鏡ができたことになる。そのプロジェクトで完成した望遠鏡で先ほどのブラックホールを見ると、非常に視力が良くブラックホールの写真を撮影することができた（図19）。

Description: chart_opinion231-19-768x629

　図19はブラックホールの写真ではなくて、ブラックホールの影の写真である。

ブラックホールの周りが光っているのは、ブラックホールの周りをガスが回ると、摩擦で擦れて、熱くなって光を放つからである。

下側の方が明るいのは、下半分はガスが向こうから地球の方に向かって回っているので、明るく光って見え、

上半分はガスが向こうに遠ざかっているので、暗く見えるので、上下に明るさの違いがあると考えられている。

中央の黒くなっている所は、「光子リング」と呼ばれている。光子リングまで入ってしまうと、ガスから来た光もブラックホールの重力で公転を始めてしまい、光は直進せず、光は光子リングから出てこない。
　ブラックホール自体の大きさは光子リングの3分の2ぐらいの大きさで、ここはブラックホールの「事象の地平線」と呼ばれている。ここに入ると、何ものも光も出て来れなくなる。

このブラックホールは大きさが見えているので重さに換算して太陽の質量の65億倍もあることがわかった。

このような巨大なブラックホールがあると、これが暗黒物質ではないかという意見が出るが、ブラックホールは太陽の質量の65億倍もあるものの、M87銀河という銀河全体の質量は太陽質量の2兆倍あるので、ブラックホールを含めてた星々の質量だけでは重力が足りない。

超巨大ブラックホールがあるのははっきりしたが、ブラックホールでは重力が足りないこともはっきりした。

WIMP仮説

　暗黒物質の正体は何なのだろうか。銀河団の衝突で原子ではないことがはっきりした。

また、超巨大質量ブラックホールでもないことは、質量が計測できたことからはっきりした。

小さなブラックホールでもないことは虫眼鏡効果ではっきりした。

さらに、ニュートリノでもない。ニュートリノは宇宙にたくさんある粒で、何もない宇宙空間でも1 cm³あたり200個〜300個あるので、塵と積もれば山となるが、ニュートリノでは軽すぎて暗黒物質になれないことがはっきりした。

原子、ブラックホール、ニュートリノなどを含めた「知られているもの」はどれも暗黒物質になれないことが2003年にはっきりした。

したがって、暗黒物質は我々のまだ知らないものである。宇宙のほとんどがその未知のものであると確定したのが現代の状況である。

　暗黒物質を探す研究は、仮説を立てて探すことになる。現在最も有力な仮説と思われているのが、「暗黒物質は弱虫」だという説である。英語では、Weakly Interactive Massive Particleといい、WIMPと略される。

これは、ニュートリノのような小さな粒は地球などを通り抜けるが、暗黒物質はニュートリノの化け物のような感じで、ずっと重いものだ。そのようなものが暗黒物質ではないかという説である。

E ＝ MC²によれば、重いものは、つくる時にエネルギーがたくさん必要だ。

宇宙のはじめにはエネルギーがたくさんあったので、重い素粒子もあったに違いない。

それが宇宙に残っているというわけである。この説によれば、我々の体を毎秒何千万個ものWIMPが通り抜けている計算になるが、我々はそれを感じない。それぐらい反応しないものということになる。

WIMP仮説が正しければ、暗黒物質を捕まえることができるのではないかと考えられ、実験が行われて来た。

　暗黒物質の正体を明らかにすることを目的として行われた実験として2008年8月に完成したXMASS（エックスマス）実験がある。これは、岐阜県飛騨市神岡鉱山内の地下1000 mの空洞に外部からの放射線バックグラウンドを遮蔽するための約800トンの水タンクを設置し、その水タンク内に約1トンの液体キセノン（約-100℃）を設置して行ったものだ。XMASS検出器を使って、観測装置を通過するWIMPが液体キセノンと起こす反応を観測するものだ。
　キセノンの原子核は想定されるWIMPの質量と同程度である。WIMPがキセノンに衝突すると微かな光を発すると考えられている。それを最高感度の光センサーで捉える試みだ。残念ながらこの実験で暗黒物質の証拠を見つけることはできなかった。
　キセノンは高額なので、我々のグループだけで実験施設の規模を大きくすることはできないので、ヨーロッパのグループと提携して約8トンの液体キセノンの装置をつくっている。この実験装置が完成したら、少なくとも一年に一度くらいコツという微かな音を捉えることができるかもしれないと期待している。

LHCとアトラス検出器

　世界最大の加速器は大型ハドロン衝突型加速器（英: Large Hadron Collider、略称 LHC) LHCという加速器でスイス・ジュネーブ郊外にフランスとの国境をまたいで設置されている。

　陽子と陽子を衝突させると様々なものができる。

加速させている陽子の粒はあまり重い粒ではない。軽い三輪車に例えることができる。軽い三輪車を両側から高スピードで加速させて衝突させる。加速している時にエネルギーがどんどん増加する。増加したエネルギーで衝突すると、E = MC2で、エネルギーが質量に変わるので、衝突させたのは三輪車だが、衝突によって、飛行機や戦車をつくれることになる。
　これまで、軽い陽子や電子を衝突させて重い粒子をつくることには成功してきている。だから、三輪車を衝突させて飛行機や戦車をつくれるはずだ。ところが、戦車が暗黒物質だとすると見えない。

見えないものがどうしてわかるか。飛行機ができているのは見えるので、飛行機ができていれば、運動量保存の法則からいって、反対側に何か戦車のようなものができているはずだ。

しかし、戦車のあるはずの所には何も見えない。それは、見えないものをつくることに成功したことだ。

Description: chart_opinion231-24-768x633

　この実験を今後20年継続する計画だが、どこかで限界が来る。衝突させていた陽子の中にはもっと小さなクォークという素粒子が入っていて、そのクォークをくっ付けて団子のようにする糊の働きをするグルーオンというものがある。したがって、陽子と陽子を衝突させるのは豆大福を衝突させているようなものである。豆と豆の衝突を見たいのだが、豆大福を衝突させると当然餡子が飛び散る（図24中）。
　実際に、陽子と陽子を衝突させると、図24上のようになる。餡子が飛び散っているのを見ているようなものだ。ごちゃごちゃの中で一本だけ見えないものを探すのがどれだけ大変か想像がつくだろう。

ダークマターとダークエネルギーの割合　　　　多元宇宙論（マルチバース）と人間原理

　暗黒物質と暗黒エネルギーの塩梅がちょうど良かった時だけ、我々が生まれる宇宙になる。

そこで出てきたのが宇宙はたくさんあるという学説だ。

我々が住む宇宙は暗黒物質と暗黒エネルギーの塩梅がちょうど良い状態だが、宇宙はきっと試行錯誤で、ほとんどの宇宙は暗黒物質と暗黒エネルギーのバランスが良くなくて、そういう宇宙には我々は生まれなかった。

しかし、宇宙がたくさんあって、その中にたまたまいい塩梅のものがあって、そこに我々が住んでいるのであって、我々から見える宇宙はアンバランスに見えているだけではないかという考え方があるが、この考え方は「人間原理」と呼ばれている。

　宇宙には複数の宇宙が存在するのではないかと仮定した学説を多元宇宙論（マルチバース）と呼んでいる。

マルチバースではそれぞれの宇宙の中の暗黒エネルギーの量が違う。

暗黒エネルギーが多すぎる宇宙はすぐに引き裂かれてしまって、宇宙は生まれない。

暗黒エネルギーが少なすぎてマイナスだと宇宙は減速して止まってしまい潰れてしまう。

　試行錯誤でたくさんの宇宙をつくることによって、その中のごくわずかの宇宙だけが暗黒物質と暗黒エネルギーのバランスに成功して、星や銀河や生命が生まれたのではないか。

物質の基本的単位を、大きさが無限に小さな0次元の点粒子ではなく、1次元の拡がりをもつ弦であると考える弦理論に、超対称性という考えを加え、拡張したものを超弦理論と呼ぶが、超弦理論では宇宙が10の500乗あったに違いない。

それだけ多くの宇宙があれば、その中に1個ぐらい成功するものがあってもおかしくないだろうと考える。

弱い重力レンズの効果を計測し、暗黒物質の居場所を突き止め、世界最大の暗黒物質の3次元地図を作ることに成功した）。

奥行は約80億年、横幅約12億年、高さ1億光年ぐらいある。その中で暗黒物質がどのように分布しているかを示す3D画像で示している。

Description: chart_opinion231-29

　暗黒物質の分布と銀河の分布を比較すると、暗黒物質の多い所に銀河ができている。

確かに暗黒物質が私たちの母であると観測的に証明できている。

　我々の住む銀河は吸収合併を繰り返して成長して来た。遠くの銀河から来る何十億光年もかけてやって来た光を捕まえるということをやっている。

光ファイバーで捉えた光を別の部屋にある分光器に移動させて、そこで赤外線から青色光まできちんと分けることによって、吸収線や発光線の数値を見ると、この銀河が何でできていて、どういう運動をしていてという重要な情報が見つかる。

ダークマターのない銀河　　　

この銀河系を含む銀河の多くは、ダークマターと呼ばれる物質に支えられているとみられてきた。

こうしたなか、このダークマターを含まないとみられる新たな銀河が発見され、観測に基づくデータと共に新たに研究結果として発表された。

天文学者のフィリッポ・フラターナリと彼の研究チームは、星とガスからできた無秩序な大都市のようにも見える6つの不思議な拡散銀河を発見した。これらの銀河には、わたしたちのいる天の川銀河（銀河系）を含む過去に観測されたほぼすべての銀河とは異なる点があった。

巨大なダークマター（暗黒物質）の塊に覆われていなかったのである。

通常なら、このダークマターの重力によって星々は束ねられている。科学者たちは、そのうちのひとつである約2億5,000万光年先にある中規模の銀河を選び、ニューメキシコ州にある超大型干渉電波望遠鏡群（VLA）のアンテナ27基をそこに向けた。

フラターナリは、40時間分のデータを収集して星やガスをマッピングし、以前撮影されたスナップショットが示唆していた仮説を裏付けた。

「この銀河にあると推測されるダークマターの量は、予想よりずっとはるかに少ないのです」と、

オランダのフローニンゲン大学カプタイン天文研究所の天文学者であるフラターナリは語る。

もし、彼の研究チームやライヴァルたちが似たような銀河をほかにも見つければ、少なくとも20年以上にわたってこの分野の主流だったダークマターに対する科学者の見解に一石を投じることになるかもしれない。

フラターナリらの研究チームは、この研究成果を2021年12月に王立天文学会月報に発表している。

骨格なき銀河の謎

数十年にもわたる望遠鏡での観測とコンピューターシミュレーションに基づき、科学者たちはダークマターを宇宙の隠された骨格と考えるようになっている。

ダークマターの「関節」は目に見えない粒子の巨大な塊で、大小さまざまな銀河のよりどころとなっているのだ。

しかし、その規則に当てはまらない例外を垣間見たのは、フラターナリが初めてではない。

数年前、イェール大学の天文学者のピーテル・ファン＝ドッカムの研究チームは、ハッブル宇宙望遠鏡で同様の銀河を発見したが、その銀河もダークマターが存在しないように見えた。「わたしたちが2018年に発見したこれらの銀河は、数多くの論争や議論、追随する研究をもたらしました。予想外の存在であり、説明が難しかったからです」と、ファン＝ドッカムは言う。

かつて発見されたこうした銀河は、大きな銀河が頻繁に横切ってダークマターを奪い去ってしまうような混雑した環境に存在していた。これに対して、フラターナリの銀河は孤立しており、“迷惑な隣人”もいないので、ダークマターの欠落を同じ理屈では説明できない。

「非常に大きな意味をもつ発見かもしれません」と、ファン＝ドッカムは言う。

「ダークマターの助けを借りずに、どのようにあの場所に星とガスを集めることができるのでしょうか？」

限りなく透明に近い銀河

この不思議な天体は、「超淡銀河（超拡散銀河）」と呼ばれるようになった。

この銀河は並外れて異常な天体である。

まず、その質量は非常に小さいにもかかわらず、膨大な距離に散らばっている。なかには天の川と同じ大きさの銀河もあったが、星の数はその100分の1、あるいはもっと少なかった。

限りなく透明に近いので、夜空で見つけ出すことは難しい。「中心部がやや暗くなっているため、見つけるが困難な銀河です。いまではより優れた望遠鏡と詳細な観測によって、前よりはっきり見えるようになりました」と、こうした銀河に詳しいボルティモアの宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者のミレイア・モンテスは語る。

米国の天文学者のヴェラ・ルービンらは1960年代以降、銀河の中心を周る星の速度を計測し、内側の星と外側の星では公転速度が異なることを明らかにした。これにより目に見えない物質、すなわち「ダークマター」の存在が初めて示されたのである。

科学者たちはこれらの星の公転速度を基に、銀河がどれだけの質量をもっていれば星が宇宙空間に放り出されることなく常に軌道を周り続けられるのかを計算した。

ところが多くの銀河では、その質量はすべての星の質量を足したものの数倍に及んでいた。

そこで科学者たちは、光を発したり反射したりしないある種の暗黒物質（ダークマター）が存在し、銀河を維持するための残りの質量を構成しているに違いないと仮定した。こうして、矛盾が解決されたのである。

しかし、フラターナリの研究チームが出した測定結果により、この非常に拡散した銀河に関しては、ダークマターの存在を仮定する必要がないことが示された。彼らが測定した公転速度は、観測した星やガス雲の質量と完全に一致しており、目に見えない余分な質量を必要としなかったのだ。

モンテスの研究グループは、フラターナリが検出できなかった物質が存在する可能性も考え、これらの銀河の周辺も含めてさらに詳細な調査を実施しようとしている。だが、少なくともいまのところ、幽霊のようにぼんやりとしたこの銀河は、科学者たちの悩みの種である。

重要な「ファクターX」の存在

フラターナリたちが発見した「AGC 114905」として知られるこの銀河には、重要な「ファクターX」があると彼は指摘している。その特徴とは、傾いていることだ。

銀河のなかには、空飛ぶ円盤のような形状をしているものもある。これらの銀河を地球上にある望遠鏡で真横から捉えることができれば、天文学者にとっては観測しやすい。銀河円盤の片側にある星が手前へと向かい、反対側の星が奥へと離れていく軌道を見ることができるからだ。

これらの星の速度を測定できれば、銀河の質量を推定でき、その総質量のうちどの程度がダークマターで構成されているかがわかる。だが、フラターナリの計算では、AGC 114905は30度以上傾いていることから、天文学者はその傾きを考慮に入れて質量測定値を修正しなければならない。この傾きの角度が間違っていた場合、測定結果にはダークマターの入り込む余地が十分にある。

しかし、研究チームの結果が正しかったと仮定しても、この銀河がどういった意味で例外的なのか、まだ正確にはわかっていない。それは本当に誰にも理解できない奇妙な天体なのだろうか。それとも、ダークマター理論にとってより大きな問題を示唆しているのだろうか。

ダークマターの代わりとなる物質がある？

ここまでのところフラターナリが発見した銀河は、超淡銀河の起源として提案された仮説のいずれにも当てはまっていない。

一部の天文学者は、このようなダークマターの少ない銀河は、対となるより大きな銀河が近くを通過した際に互いの重力で引かれ合い、残骸として星とガスによるぼんやりとした塊を残したことで生まれたのではないかと推測している。だが、近隣に巨大な銀河があるわけではないので、これでは説明がつかないと、ファン＝ドッカムは指摘する。

また、過去の恒星爆発の名残であるとの説もある。すべての星はいずれ死ぬ運命にあるが、なかにはその際に超新星爆発を起こすものもある。超新星は、場合によっては時間とともにガス雲などの物質を排出し、銀河を膨張させることもある。

熱の少ない天体がダークマターが少ない天体、たとえば、　超新星爆発の後に、効率よくダークマターが素粒子になり、それらがガスという物質化したのならば、ダークマターの殆どが物質化しているのではないか？

だが、AGC 114905はそれには当てはまらないのだとフラターナリは言う。新たな星の材料や燃料となるガスが、まだたくさん充満しているからだ。それに、もしこの銀河が大昔はもっと凝集していたのであれば、現在でも密集した星群が数多く残っているはずだ。

このような星群は過去の密度を示す指標となる。しかし、この銀河にはそのような星群はあまり見当たらないと、ファン＝ドッカムは指摘する。

実のところAGC 114905は、ダークマターを考慮に入れているどのモデルにも当てはまらないようだ。

カリフォルニア大学リヴァーサイド校の天体物理学者のローラ・サレスをはじめとする科学者たちは、何十年にもわたって強力なコンピューター上で宇宙をシミュレーションし、天文学者が天体望遠鏡で発見した無数の銀河をダークマターモデルがいかに再現できるか示そうとしてきた。「早速、わたしたちはシミュレーション結果を調べてみましたが、このような銀河は存在しませんでした」と、サレスは言う。

むしろ、フラターナリの銀河やそのほかの同じような銀河は、ダークマターの代わりとなる物質の必要性を示唆しているのかもしれない。科学者が隠された物質の存在を推測するとき、実は重力の働きについて仮定している。だが、もし重力が科学者が考えるものと少し違った動きをしているとしたらどうだろうか？

修正ニュートン力学とも合致せず

フラターナリの研究チームは論文のなかで、ダークマター理論に代わるものとして有力視されている「修正ニュートン力学（Modified Newtonian Dynamics、MOND）」について検証した。

修正ニュートン力学は1980年代にイスラエルの物理学者のモルデハイ・ミルグロムが提唱した仮説で、アイザック・ニュートンの重力の法則に手を加えたものである。

この仮説によると、太陽系の惑星のような重力加速度の大きな天体の運動を正確に説明している標準的な重力物理学は、銀河円盤の端でゆっくりと公転する星には同じように適用できない。

このため修正ニュートン力学の重力法則が正しければ、銀河中の星の予想速度と実際に観測される速度との間の不一致は、質量が不足しているからではなく、単なる計算間違いかもしれない。

しかし、修正ニュートン力学のモデルは通常の銀河にはよく当てはまるが、捉えどころのないフラターナリの銀河の回転運動についてはやはり説明できなかった。ダークマターモデルと同じく、このモデルも合致しなかったのだ。

サレスによると、AGC 114905がダークマター関連理論の問題点を示しているのか判断するのは時期尚早だという。この謎を解き明かすためにフラターナリたちは、打ち上げられたばかりのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などを利用して、この不思議な銀河やこれまで見落とされてきた銀河の調査を続ける予定だ。

「宇宙の果てを探ろうとしているわけでも、星の隣にある小さな惑星を見つけようとしているわけでもありません。いまあるツールで実際に可能なことなのです」と、ファン＝ドッカムは言う。「だからこそ、エキサイティングであると感じるのです」

物理学者は、暗黒物質（ダークマター）についてまだ多くを知らない。それが何によって構成されているのか、単一粒子の質量がどれほどなのか、模型をつくる最良の方法は何なのか。さまざまな点で学者たちの意見は分かれている。

あなたならどうやって模型をつくるだろうか？ダークマターは光を透過させるだけで、光を反射せず吸収もしない厄介ものなのだ。それゆえ、いまだに地上でダークマター粒子を捕らえた者はいない。

ただし、30年以上に渡る望遠鏡での観測を経て、ほとんどの研究者が同意することがひとつだけ見つかっている。それは、この宇宙には大量のダークマターが存在するということだ。銀河は回転しており、その回転速度は目に見えるさまざまな天体すべての質量から計算できる速度よりも、かなり速い。

そのため宇宙物理学者たちは、ダークマターが通常の物質に比べて5倍以上存在していると考えている。物理法則を考えてみれば、ダークマターから生じる重力がない限り、銀河はバラバラになっているはずなのだ。

わたしたちのいる銀河系（天の川銀河）の場合、回転速度から考えると、通常の物質と比べて30倍以上のダークマターが存在している計算になる。実際、これまで観測されたすべての銀河にはダークマターが存在していると考えられてきた。ただし、これまでは、だ。

ダークマターのない銀河

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。

2017.05.1

　はるか彼方の銀河が、謎の物質の「存在」ではなく「不在」によって、天文学者たちの首を傾げさせている。この銀河は、3月29日付けの学術誌「ネイチャー」で報告された。

どのような銀河なのか

　今回発見された銀河は、約6500万光年の彼方にあるNGC1052-DF2だ。薄く広がった暗い銀河で、質量は私たちの銀河系の約200分の1である。

　銀河の質量は、すべてが見えるわけではない。なぜなら、普通の物質に加えて、ダークマターが存在しているからだ。普通の物質とは恒星や惑星や私たち生物そのもののことであり、これらはもちろん見える。対して、ダークマターは目に見えず、直接観察するすべもない。それなのに存在が知られているのは、普通の物質にその重力が影響を与えているためだ。そして、ダークマターは宇宙の質量の多くを占めている。（参考記事：「謎に満ちた見えない宇宙」）

　NGC1052-DF2のような孤立した銀河には、ほかの銀河から類推すると、普通の物質の約100倍のダークマターがあるはずだった。論文によると、だがしかし、この銀河にはダークマターが欠けていた。（参考記事：「銀河系の質量は太陽7000億個分、暗黒物質が約9割」）

科学者たちの驚き

　米エール大学のピーター・バン・ドッカム氏が率いるチームは、多数のレンズを組み合わせたドラゴンフライ望遠鏡を使って、NGC1052-DF2を詳細に調べた。この銀河の中にある10個の星団の運動を追跡して銀河の質量を見積もったところ、驚いたことに、見えている恒星の質量の総和と同じだった。

「ダークマターは銀河の単なるおまけ的なものではないと真剣に考えていました」とバン・ドッカム氏は言う。研究チームは精査を要する奇妙な銀河をほかにもいくつか発見しているという。

【動画】1億の星を3分で見る　NASAが2015年1月に発表したアンドロメダ銀河の驚異的な画像は、ハッブル宇宙望遠鏡が捉えたもので、アンドロメダ銀河の画像としてはこれまでで最大のものである。この画像をもとに映像作家デイブ・アクテミチャク氏が製作した動画では、すばらしいインタラクティブ体験が楽しめる。

この発見がなぜ重要なのか

　奇妙な観測結果が1回出ただけでは、理論は必ずしも破綻しない。しかし、ダークマターがない銀河が見つかったことは、いくつかの非常に興味深い事実を示唆している。第一に、この発見は銀河の形成に関する現在の理論に疑問を突きつける。

「今日の銀河形成理論では、銀河はダークマターハローという、ダークマターが重力によって集まった塊の中で形成されると理解されています」と、米スタンフォード大学のリサ・ウェクスラー氏は言う。「少なくとも銀河が形成されるときには、恒星の数とそこにあるダークマターの量との間に緊密な関係があります」（参考記事：「重力レンズ使った星の重さ測定に成功、ハッブル」）

　つまり、ダークマターがなければ銀河は形成されないということだ。

　バン・ドッカム氏らは、ダークマターのない銀河の形成と進化を説明できそうなシナリオをいくつか提案しているが、どれも気に入っていないという。ウェクスラー氏もこの結果に当惑していて、ダークマターがなくても銀河が形成されるなら、非常に興味深いと言う。（参考記事：「【解説】大発見？宇宙最初の星を観測、真相は」）

「その場合、銀河とは何かというところから考え直す必要があります」とウェクスラー氏。

　逆説的だが、NGC1052-DF2にダークマターがないという発見はまた、ダークマターが存在している証拠にもなる。（参考記事：「ダークマターの「雲」にずれ、実在の証拠か」）

　修正された重力理論のように、宇宙には目に見えるより多くの質量があることを、ダークマター以外で説明する理論もある。しかし、今回発見された銀河は、見えている恒星の分の質量しかないのに、通常の重力理論にしたがっていた。修正された重力理論がもし正しいなら、通常の重力理論にしたがう銀河の質量は、見えているよりも多くなければならず、この銀河を説明できない。

　バン・ドッカム氏は言う。「ですから、ダークマターをもたない銀河の発見は、ダークマターが本当に存在していることの証拠になるのです」

「ダークマターは存在しない」と研究者が主張する理由とは？

ダークマター(暗黒物質)は天文学の現象を説明するために提唱された物質であり、光学的に観測できないという特性もあって依然として「謎の物質」とされています。近年の科学会ではダークマターの存在を前提とした宇宙理論が主流ですが、中にはダークマターの存在を支持していない研究者も存在しており、ドイツ・ボン大学の天体物理学者であるPavel Kroupa教授が「ダークマターは存在しないと主張する理由」について解説しています。

Dark Matter Doesn't Exist | Pavel Kroupa » IAI TV

https://iai.tv/articles/dark-matter-doesnt-exist-auid-2180

ダークマターとは、「観測可能な物質だけでは銀河を形成するのに十分な重力を得られない」という研究結果を基に、1933年にスイスの天文学者であるフリッツ・ツビッキーが提唱した物質です。主流の仮説では、宇宙の約25％がダークマターで構成されており、70％はダークエネルギー、残り5％が原子など既知の物質であるとされています。

少なくとも30年前から科学者たちはダークマターが存在する証拠を求めてさまざまな研究を行っており、記事作成時点でもダークマターの正体について多種多様な仮説が登場していますが、「ダークマターは存在する」という前提は多くの科学者によって共有されています。Kroupa氏は、「多くの科学者が実験室や極地実験でダークマターを探し、存在を証明してノーベル賞を受賞しようとしています」と述べ、これらの研究に多額の税金が投じられていると指摘。

ところがKroupa氏は、これらの科学者が無視している単純なテストがあると述べ、それに基づけば「ダークマターは存在しない」と主張しています。1943年、インド生まれの天体物理学者であるスブラマニアン・チャンドラセカールは、低質量の微少粒子の中を移動する巨大物体は、重力の影響で次第に減速していくはずだとする「Dynamical friction(チャンドラセカールの力学的摩擦／重力抗力)」という考えを提唱しました。

チャンドラセカールの力学的摩擦の計算に基づけば、宇宙空間を移動する銀河はダークマターによる減速が生じるはずです。ところが、Kroupa氏が共同研究者や学生たちとさまざまな銀河系を調べても、チャンドラセカールの力学的摩擦が当てはまる減速は確認されなかったとのこと。棒渦巻銀河の移動速度を調べた研究結果も同様の結果を示しており、「これらのシステムのいずれもダークマターの証拠を示していません。銀河はあたかも裸であるかのように、つまり理論がそこにあると予測している膨大なダークマターに取り囲まれていないかのように振る舞います」とKroupa氏は述べています。

Kroupa氏は、複数の研究者からダークマターを前提とした宇宙論モデルに反する研究結果が報告されていると指摘。それにもかかわらず、研究コミュニティは「ダークマターが存在できるような説明」を考え出し、理論をゆがめてきたとしています。これに対しKroupa氏は、過去の研究結果から得られる正しい結論は「ダークマターを前提とした宇宙論モデルは実際の宇宙を記述する有効なモデルではない」というものだと主張しています。

ダークマターが存在しなければ現在の宇宙論モデルは崩壊するため、理論物理学者は新たなモデルを考案する必要があります。そこでKroupa氏は、アイザック・ニュートンやアルベルト・アインシュタインが利用できなかった太陽系外からのデータを組み込んでニュートンの重力理論を拡張した修正ニュートン力学(MOND)に基づく宇宙論モデルを発展させるべきだと述べています。MONDはダークマターの問題を前提とせず、力学の法則を変更することで説明を試みた力学仮説です。

また、Kroupa氏はダークマターを前提にしたモデルを「人類史上最も反証されてきた物理理論」であると批判し、一体なぜ現代の科学者らが「宗教的に」ダークマターを真実だと考えているのか、科学的に解明する必要があると訴えています。「これは社会学や哲学の問題であり、科学的手法の崩壊を示唆しています」と、Kroupa氏は述べました。

幽霊のような物質「ダークマター」（暗黒物質）と銀河は切っても切れない関係にあります。それはダークマターが銀河の形成に重要な役割を果たしていると考えられているからです。

オランダの研究者を中心とする国際的な天文学者チームは、最新鋭の望遠鏡を用いて40時間に及ぶ詳細な観測を行ったにもかかわらず、銀河「AGC114905」にダークマターの痕跡を発見することができませんでした。この観測結果はダークマターのない銀河の存在を強く証拠付けるものです。

問題の銀河、AGC114905は約2億5000万光年の距離にあります。「超拡散矮小銀河」（ultra-diffuse dwarf galaxy）と呼ばれる銀河に分類されていますが、「矮小銀河」という名前は、その大きさではなく、その低い光度を表しています。サイズは天の川銀河とほぼ同じですが、含まれる恒星の数はその1000分の1程度しかありません。すべての銀河、特に超拡散矮小銀河は、ダークマターによって支えられていなければ存在できないというのが一般的な考え方です。

研究者たちは、VLA（Very Large Array）電波望遠鏡を使用して、2020年7月から10月までの間、40時間に渡ってAGC114905でのガスの回転に関するデータを収集しました。

続いて、X軸に銀河の中心からガスまでの距離、Y軸にガスの回転速度を示すグラフを作成しました。これは、ダークマターの存在を明らかにするための標準的な方法です。グラフは、AGC114905のガスの動きが通常の物質によって完全に説明できる（ダークマターの存在を必要としない）ことを示していました。

「これはもちろん、私たちがこれまでに行ってきた測定結果を裏付けるもので、私たちが考え、望んでいたことでもあります」とPavel Mancera Piña氏（フローニンゲン大学及びオランダ電波天文学研究所）は語っています。「しかし、理論的にはAGC114905にダークマターがあるはずなのに、私たちの観測結果ではそれがないという問題は未解決のままです。実際、理論と観測の差は大きくなる一方です」

研究者たちは、論文の中で、ダークマターがないことの説明として考えられる可能性をいくつか挙げています。

例えば、AGC114905は、近くの大きな銀河の重力によってダークマターが剥ぎ取られた可能性があります。「しかし、それはありえません」とMancera Piña氏は否定します。「銀河形成モデルとして最も定評のある、いわゆる「コールド（冷たい）ダークマターモデル」（cold dark matter model：CDMモデル）では、通常の範囲をはるかに超えた極端なパラメータの値を導入しなければなりません。また、CDMモデルの代替理論である修正ニュートン力学でも、銀河内のガスの運動を再現することはできません」

研究者によると、結論を変える可能性のある仮定がもう１つあると言います。それは、銀河を観測している角度の推定値です。論文の共著者であるTom Oosterloo氏（オランダ電波天文学研究所）は、「しかし、ダークマターが存在する可能性を考えるためには、その角度が我々の推定値から非常に大きく外れていなければなりません」と語っています。

一方、研究者たちは、２番目の超拡散矮小銀河を詳細に調べています。その銀河で再びダークマターの痕跡が観測されなければ、ダークマターの乏しい銀河の存在はさらに強固なものとなるでしょう。

果たして理論と観測結果は一致するのでしょうか？　それとも観測結果を説明するために新たなモデルが構築されるのでしょうか？　今後の展開が待たれます。

ダークエネルギーの割合の算出方法　　探求中

ダークエネルギーとは、重力とは逆の反発力を持つとされる仮説上のエネルギーです。

この宇宙は138億年前のビッグバンにより誕生し、現在も膨張を続けています。ビッグバンの爆発力により宇宙は膨張していますが、重力による収縮力でその膨張の速度は序々に遅くなって行く筈です。
しかし、宇宙の膨張速度を詳細に観測した結果、驚くべきことが判明しました。確かに、66.2億年前までは宇宙は減速膨張(序々に膨張の速度が遅くなる膨張)していたのですが、それ以降加速膨張(序々に膨張の速度が速くなる膨張)に転じたのです。これは、ビッグバンの膨張力と重力による収縮力のみでは説明がつきません。

そこで、未知の反発力が必要となりました。これが、ダークエネルギーです。
宇宙の膨張により、物質間の距離が次第に遠くなり重力による収縮力も序々に弱まりました。その結果、66.2億年前に、終にダークエネルギーによる反発力の方が重力による収縮力を上回り、宇宙は加速膨張に転じたと考えます。

物質・ダークマター・ダークエネルギーの割合

ビッグバンの膨張力、望遠鏡で観測できた物質の重力による収縮力、望遠鏡では見えないダークマターの重力による収縮力、ダークエネルギーの反発力を使って、宇宙の生成をシュミュレートしました。

その結果、望遠鏡で観測できる物質は4%位しかなく、ダークマターは22%で、ダークエネルギーは約70%にした場合、上手く現在の宇宙が生成されることが確認されました。
従って、ダークマターやダークエネルギーは仮説上の存在ですが、この割合に設定すると、上手に説明出来るのです。

従って、「ダークマターやダークエネルギー自体が観測されています」と言う情報は正確ではありません。

暗黒エネルギーとは

　宇宙は膨張していると言われるが、アインシュタインによれば、所詮それは重力の現象である。

ビッグバンで様々なものが飛び散る。その後は、万有引力の法則で引っ張り合っている。

引っ張り合うと、飛び散る速さにブレーキがかかる。つまり引っ張る重力だから宇宙の膨張は減速して遅くなっていくはずだというのが予言だった。

我々は70年間そのように思っていた。空に向かってボールを投げるとボールは減速して戻ってくる。宇宙がそのようだと膨張してどこかで停止して、戻って来てつぶれてしまう。これを「ビッグクランチ」というが、その考え方が通説だった。
　それに対して、空にロケットを飛ばして大気圏を超えれば、大気圏外に出たロケットは重力に引っ張られて減速するが、永遠に飛び続けることになる。宇宙がこのようだと永遠に膨張を続ける宇宙ということになる。
　宇宙の運命を知りたいということで、同僚のソール・パールムッター博士が観測を始めた。やることは単純だ。遠くの宇宙を見ると昔の宇宙が見えるので、遠くの宇宙の膨張の速さを測ると、昔の宇宙の膨張の速さを測ることができる。逆に、近くの宇宙の膨張の速さを測ると、最近の宇宙の膨張の速さを測ることができる。そうすれば、どのくらい減速して来たかがわかる。停止しそうなくらい減速しているのか、あるいはそれほど減速していないのか判定が付くだろうということになった。
　実際に観測して測り始めてみると、誰も予想しなかった結果が出た。減速すると思われた宇宙が実際には加速していた。重力で引っ張られるとブレーキがかかって遅くなるはずだったのに、万有元力に逆らって押している何ものかがあることになる。重力は引力しかない。何か押しているものが宇宙にはある。これが現代物理学最大の謎なのだ。ともかく、何か見えないものがあって、それがどんどん押して宇宙の膨張を早めている。それはエネルギーをもっている。だから暗黒エネルギーと呼ばれている。
　アメリカ、ダートマス大学のロバート・コールドウェル博士は、ダークエネルギーが加速度的に増える場合の宇宙の未来を計算したが、その結果は、とても衝撃的だった。

ダークエネルギーが加速度的に増えると宇宙の膨張速度は際限なく速くなっていく。

そして、宇宙は無限の大きさになり、全てはバラバラになり引き裂かれてしまうことがわかった。コールドウェル博士はビッグバンに対してそれをビッグリップ（Big Rip）と呼んでいる。

　具体的にどうやってビッグリップに関する観測をしたか。ここで登場するのが1a型超新星というものの爆発である。超新星の中で1a型は特殊である。1a型超新星はその爆発で星が銀河全体より明るくなる。だから、遠くの銀河も明るくなるのが見える。遠くが見えると過去が見える。しかも、このタイプの超新星は明るさが決まっている。明るさによって位置が遠いか近いかが判別できる。距離がわかるとどれだけ時間が経過したかという時間の情報を得られる。
　さらに、光がどれだけ赤くなったかを見れば宇宙がどれだけ大きくなったかがわかる。つまり、宇宙の膨張の情報も得られる。したがって、時間の情報と膨張の情報を組み合わせると、膨張の歴史の情報になる。それでどのように減速して来たかを見ようとした結果、なんと宇宙の膨張は加速しているという驚くべき答えが出た。1998年のことである。

　もしビッグリップになったら何が起きるのだろう。今からおよそ1000億年後に起きると言われるビッグリップのシナリオは次の通りだ。
　ビッグリップの2億年前、銀河のかたちに変化が現れる。まず、銀河の周辺部の星が加速的に引っ張られているので、重力を振り切って外に飛び出していく。そして、中心部にある星もまとまることが出来ずバラバラになり銀河は消滅する。
　ビッグリップの1年前、惑星の軌道にも影響が現れる。外側を周る惑星から順々に軌道から外れていく。
　

ビッグリップの数時間前、星の内部にまでダークエネルギーの影響が及ぶ。星は膨れ上がって爆発し、死を迎える。惑星も最後の時を迎える。大地はひび割れ、バラバラになった惑星の破片が次々と宇宙に飛び出していく。そして、遂に惑星も砕け散り、分子や原子までも引き裂けられ、素粒子になる。ビッグリップの数秒前、全てのものがバラバラになって、宇宙は終わりを迎える。これがビッグリップだ。
　これはあくまでも仮説なので、必ず宇宙がこのような最後を迎えるわけではない。もし、宇宙空間の膨張と同じ割合でダークエネルギーが増え続ける場合には、宇宙は永遠に存在し続ける。ただし、今私たちが見ている多くの銀河はほとんど全て遠くへ飛び散っていくので暗くなり見えなくなってしまう。
　このビッグリップ仮説が真実かどうかは、暗黒エネルギーの正体による。暗黒物質は我々の母だったが、暗黒エネルギーは邪悪な感じがする。

　ここまでのことを簡単にまとめたい。原子は宇宙において5%に過ぎないというのが観測結果である。原子は粒々なので、宇宙が2倍になると体積が8倍になって8倍に薄まる。
　暗黒物質は宇宙の27%だということもわかっているが、暗黒物質も粒々だから、正体はわからないけれども、宇宙が2倍になると体積が8倍になって8倍に薄まる。
　暗黒エネルギーは宇宙の68%を占めているが、奇妙で、宇宙が2倍になり体積が8倍になると、暗黒エネルギーも約8倍に増える。つまり暗黒エネルギーは無尽蔵なエネルギーである。8倍ではなく7倍だと、暗黒エネルギーは勢いを失って、加速はいずれ止まって、減速する宇宙に戻るだろう。9倍に増えると、どんどん勢いは増しているので、宇宙を無限に速くしてビッグリップになるだろう。だから、8倍なのか、9倍なのか、7倍なのかというのが運命の分かれ目だ。これを調べなければならない。