宇宙の物質の半分が失われていました。私たちはそれを銀河の間に隠しているのを発見しました。

J. ザビエル・プロチャスカは、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学および天体物理学の教授です。ジャン＝ピエール・マッカールは、カーティン大学の天体物理学の准教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。

1990 年代後半、宇宙学者たちは宇宙にどのくらいの量の通常の物質があるか予測した。彼らの推定では、約 5 パーセントが通常の物質で、残りは暗黒物質と暗黒エネルギーの混合物であるはずだった。しかし、宇宙学者たちが当時目にしたり測定したりできたものをすべて数え上げてみると、彼らの予測は大幅に足りなかった。

宇宙学者が測定した通常の物質の合計は、宇宙にあるとされる 5% の約半分にしか達しませんでした。

これは「失われた重粒子問題」として知られており、20年以上もの間、私たちのような宇宙学者はこの問題を懸命に研究してきましたが、成果はありませんでした。

新しい天体現象の発見とまったく新しい望遠鏡技術が必要でしたが、今年初め、私たちのチームはついに失われた物質を発見しました。

問題の起源

重粒子とは、宇宙のあらゆる通常の物質の構成要素である陽子と中性子を含む粒子の種類の分類であり、一種の包括的な用語です。周期表にあるすべてのもの、そして「物質」として考えられるほとんどすべてのものは、重粒子でできています。

1970 年代後半から、宇宙学者たちは、宇宙の重力パターンを説明するために存在しなければならない、これまで知られていなかった種類の物質である暗黒物質が宇宙の物質の大部分を占め、残りは重粒子物質であると推測していたが、正確な比率はわかっていなかった。1997 年、カリフォルニア大学サンディエゴ校の 3 人の科学者は、重水素原子核 (中性子が 1 つ余分にある水素) と通常の水素の比率を使用して、重粒子が宇宙の質量エネルギー予算の約 5 パーセントを占めると推定した。

しかし、論文の印刷がまだ乾いていないうちに、別の3人の宇宙学者がはっきりとした警告を発した。彼らは、現在の宇宙に存在する重粒子の数を直接測定し、恒星、銀河、それらの内部と周囲のガスの調査によって決定したところ、予測された5パーセントの半分にしかならなかったと報告した。

これが、失われた重粒子問題を引き起こした。自然法則によれば、物質は生成も破壊もされないため、2 つの説明が考えられる。物質は存在せず、計算が間違っているか、物質はどこかに隠れているかのどちらかである。

検索に失敗しました

世界中の天文学者がこの探索に着手し、最初の手がかりは 1 年後に理論宇宙論者からもたらされました。彼らのコンピューター シミュレーションでは、失われた物質の大部分は、宇宙全体に広がる低密度で 100 万度の高温プラズマの中に隠れていると予測されました。これは「高温銀河間物質」と呼ばれ、「WHIM」というニックネームが付けられました。WHIM が存在すれば、失われた重粒子の問題が解決されるはずですが、当時はその存在を確認する方法がありませんでした。

2001 年、WHIM を支持する別の証拠が明らかになった。2 番目のチームは、宇宙のマイクロ波背景放射 (基本的にはビッグバンの名残の放射) のわずかな温度変動を観測することで、重粒子が宇宙の 5% を占めるという当初の予測を確認した。この数字が 2 回別々に確認されたことで、計算は正しく、WHIM が答えであるように思われた。宇宙学者は、この目に見えないプラズマを見つけるだけでよかった。

過去 20 年間、私たちと他の多くの宇宙学者や天文学者のチームは、地球上のほぼすべての主要な観測所を捜索に投入してきました。いくつかの誤報や高温ガスの暫定的な検出もありましたが、最終的に私たちのチームの 1 つがそれらを銀河の周りのガスと結び付けました。WHIM が存在したとしても、検出するにはあまりにも暗く拡散していたでしょう。

高速電波バーストにおける予想外の解決策

2007 年、まったく予想外のチャンスが訪れました。ウェストバージニア大学の天文学者ダンカン・ロリマーが、高速電波バースト (FRB) と呼ばれる宇宙現象の思いがけない発見を報告したのです。FRB は、極めて短時間で高エネルギーの電波放出パルスです。宇宙学者や天文学者はまだ、FRB が何によって発生するのかわかっていませんが、はるか遠くの銀河から来ているようです。

これらの放射線バーストが宇宙を横断し、ガスや理論上の WHIM を通過すると、分散と呼ばれる現象が発生します。

これらの FRB の謎に包まれた最初の原因は 1000 分の 1 秒未満しか続かず、すべての波長が密集した状態で始まります。運が良ければ (あるいは運が悪ければ)、FRB が発生した場所の近くにいた人は、すべての波長を同時に受けることになります。

しかし、電波が物質を通過すると、一時的に速度が低下します。波長が長いほど、電波は物質をより強く「感じ」ます。風の抵抗のようなものだと考えてください。大型の車は小型の車よりも風の抵抗を感じます。

電波に対する「風の抵抗」の影響は信じられないほど小さいが、宇宙は広い。FRB が地球に到達するまでに数百万光年または数十億光年を移動するまでに、分散により長い波長は大幅に遅くなり、短い波長よりもほぼ 1 秒遅れて到着する。

そこに、FRB が宇宙の重粒子の重量を測定できる可能性があることが、我々がその場で認識したチャンスだった。1 つの FRB 内でのさまざまな波長の広がりを測定することで、電波が地球に到達するまでに通過した物質の量、つまり重粒子の数を正確に計算できるのだ。

この時点で、私たちは非常に近づいていたが、必要な最後の情報が 1 つあった。重粒子密度を正確に測定するには、FRB が空のどこから来たのかを知る必要があった。発生源の銀河がわかれば、電波がどのくらい遠くまで伝わったかがわかる。それと、FRB が受けた分散の量から、地球に到達するまでに通過した物質の量を計算できるかもしれない。

残念ながら、2007 年の望遠鏡は、FRB がどの銀河から、つまりどのくらい遠くから来たのかを正確に特定できるほど優れていませんでした。

どのような情報があれば問題を解決できるかはわかっていましたが、あとはそのデータを提供できるほどテクノロジーが発達するのを待つだけでした。

技術革新

最初の FRB の位置を特定できるまで、つまり場所を特定できるまで 11 年かかりました。2018 年 8 月、私たちの共同プロジェクトである CRAFT は、西オーストラリアの奥地にあるオーストラリア平方キロメートルアレイ パスファインダー (ASKAP) 電波望遠鏡を使用して FRB の探索を開始しました。この新しい望遠鏡は、満月の約 60 倍の大きさの空の広大な領域を観測でき、同時に FRB を検出し、空のどこから来ているのかを正確に特定できます。

ASKAP は 1 か月後に最初の FRB を捉えました。電波がどこから来たのか正確にわかった後、私たちはハワイのケック望遠鏡を使ってすぐに FRB がどの銀河から来たのか、またその銀河がどのくらい離れているのかを特定しました。ご存じないかもしれませんが、私たちが最初に検出した FRB は、地球から約 40 億光年離れた DES J214425.25–405400.81 という銀河から来たものです。

この技術と手法はうまくいきました。FRB の分散を測定し、それがどこから来たのかを知っていました。しかし、統計的に有意な重粒子の数を得るには、さらにいくつかの FRB を捉える必要がありました。そこで、宇宙がさらに FRB を送ってくれることを期待して待ちました。

2019 年 7 月中旬までに、さらに 5 つのイベントを検出しました。これは、失われた物質の最初の探索を実行するのに十分な数です。これら 6 つの FRB の分散測定を使用して、電波が地球に到達する前に通過した物質の量を大まかに計算することができました。

データが 5 パーセントの推定値によって予測された曲線にぴったり収まった瞬間、私たちは驚きと安心感に圧倒されました。私たちは失われた重粒子を完全に検出し、この宇宙論の謎を解き、20 年にわたる探索に終止符を打ったのです。

しかし、この結果は最初の一歩に過ぎません。重粒子の量を推定することはできましたが、データ ポイントが 6 つしかないため、失われた重粒子の包括的なマップを作成することはできません。WHIM が存在する可能性が高いという証拠があり、その量も確認しましたが、それがどのように分布しているかは正確にはわかりません。WHIM は、銀河を繋ぐ「宇宙のウェブ」と呼ばれる広大なフィラメント状のガス ネットワークの一部であると考えられていますが、約 100 の高速電波バーストがあれば、宇宙学者はこのウェブの正確なマップを作成し始めることができます。