暗黒物質のない銀河では、暗黒物質が存在しないことを証明するのが難しい理由

2000 年、写真乾板に染みとして現れた銀河がありました。それは天の川ほどの大きさで巨大でしたが、非常に暗く、観察するのが困難でした。誰かがその銀河にカタログ番号を付け、忘れ去ってしまいました。

それは超拡散銀河と呼ばれる比較的新しい部類に属していた。私たちの銀河とほぼ同じ大きさだが、星の数は数百から数千分の一しかなく、空のより明るい天体に簡単に隠れてしまう。数年後、天文学者たちはドラゴンフライアレイという望遠鏡を使ってさらに詳しく観察した。これは48個の望遠レンズで構成された望遠鏡で、このような巨大でかすかな天体を観察するのにぴったりだ。

天文学者のピーター・ファン・ドックム氏とその同僚は、これらの星のまばらな構造がどのように機能するかについてさらに知りたいと考えていたが、（最近ネイチャー誌に掲載された）詳細な観測結果は奇妙だった。この銀河には暗黒物質が存在しないようだ。これは天体物理学者が熟考すべき、新たな不可解な証拠である。

そもそも暗黒物質とは何でしょうか?

暗黒物質が一体何なのかは私たちにはわかりません。そして「暗い」という言葉は、それを説明する最良の方法ではないかもしれません。研究者たちは、透明物質、透明物質、または「未知の物質」のバリエーションなどの代替案も提案しています。それは本質的に、私たちがまだ発見していない何かのための仮置きです。しかし、その何かがそこに存在することはわかっています。おそらく。

「暗黒物質が粒子であるかどうかはともかく、私たちはまだそれを実際に検出していません。私たちは暗黒物質を、それが他のものに与える影響を通してしか見たことがありません」とヴァン・ドックム氏は言う。

それらには、宇宙における星や銀河の動きや、質量を持つ物体の周りの光の曲がりなどが含まれます。

「暗黒物質モデルは、銀河の出現や宇宙における銀河の分布など、幅広い現象を説明するのに驚くほど成功しています。しかし、それが実際に何であるかは、まだ特定されていません」とヴァン・ドックム氏は言う。

それが宇宙で見られる他の物質とは違うことは分かっていますが、私たちが知っているのはそれだけです。もしそれが存在すれば、多くのことを説明する助けとなり、宇宙の総質量の大部分を占めます。

「もし私たちが暗黒物質の目で宇宙を見ることができたら、これらの写真で見る星や惑星は、暗黒物質の海の上にある小さな泡に過ぎないでしょう。暗黒物質は、すべてのものが構築される骨組みなのです。その意味では、暗黒物質のない銀河を見つけるのは無理です」とヴァン・ドックムは言う。

この銀河では何が起こっているのでしょうか?

それで、私たちは再び、新しく説明された奇妙な人物の話に戻ります。

ドラゴンフライでぼんやりとした銀河を特定した後、ファン・ドックム氏とその同僚たちはそれを他の天空の地図と比較し始めた。彼らは銀河の中に約 10 個の明るい光点、球状星団として知られる輝く星の爆発に気づいた。

「拡散光と球状星団の組み合わせは本当に驚くべきものだったので、私たちはとても興奮しました。つまり、これらの球状星団の動きを研究して、この銀河の質量を発見できるということです」とヴァン・ドックム氏は言う。

基本的に、質量が大きいほど、物体はより速く動きます。「太陽の質量が現在の 4 倍であれば、地球は軌道を維持するのに 2 倍の速度で移動する必要があります。さもなければ、地球は太陽に向かって落ちてしまいます」とヴァン・ドックムは説明します。つまり、太陽の周りを回る地球の動きを測定することで、たとえ太陽の存在を実際に知らなくても、星の質量を判定できるのです。

彼は銀河についても同じことをしている。銀河内の星や星団の動きを計測することで、科学者は銀河の質量を計算できる。「物体が速く動いているなら、それをまとめている質量は大きいはずだ。ゆっくり動いているなら、質量はほとんどないはずだ。そうでなければ、物体は崩壊してしまうだろう」とヴァン・ドックムは言う。

そして、この銀河は非常にゆっくりと動いています。実際、非常にゆっくりと動いているので、銀河団はほとんど動かないように見えます。ヴァン・ドックム氏にとって、それはこの銀河に大量の暗黒物質が含まれ得ないことを意味します。

この銀河について最も不可解なのは、それだけではない。表面上は似ているように見える他の銀河と比べても奇妙だ。数年前、ヴァン・ドックムとその同僚は、ほぼ完全に暗黒物質で構成されている銀河を特定した。これはまさにその逆だが、両方の巨大な銀河の塊は非常によく似ている。

「この場合、目は欺くものです。まったく異なる種類の物体が偶然同じように見えているのです。それ自体とても興味深いことです」とヴァン・ドックムは言う。通常、天文学者は銀河の星の質量を見ることで、その中の暗黒物質の正確な推定値を得ることができると想定している。「それは天の川銀河のような銀河には当てはまるようです。しかし、非常に拡散した物体に目を向けると、どうやらそれは完全に崩れてしまうようです。そしてそれは私たちが知らなかったし、予想もしていなかったことです」とヴァン・ドックムは言う。

これはどういう意味ですか？

逆説的に、暗黒物質のない銀河は、暗黒物質に関係しない宇宙の構造の説明を探している研究者にとって問題を引き起こします。

「人々は（暗黒物質を）見つけようとしているが、発見に時間がかかればかかるほど、『それは何か他のものかもしれない、私たちは間違った方向に進んでいるだけかもしれない』と考える人が増える」とヴァン・ドックム氏は言う。

代替戦略としては、重力に関する基本的な理解を再検討し、暗黒物質の考えを否定し、代わりに星や銀河のあらゆる動きは物理学の異なる解釈で理解できると主張することなどがある。

しかし、ヴァン・ドックム氏は、この物体はそれらの理論に本当の問題を提起すると言う。修正重力の考えが成り立ち、暗黒物質が存在しないなら、すべての銀河を支配する物理法則は同じであるはずであり、ある銀河における暗黒物質の影響を説明する物理的構造は、この銀河にも影響を与えるはずである。したがって、そのパラダイムシフトの下では、この新しい銀河は物理法則に反するように見えるだろう。「これはまさにそれが物質であることを示唆している」とヴァン・ドックム氏は説明する。「それは銀河が持っているか持っていないかの何かである。ほとんどの場合それは持っているが、どうやら時には持っていない。つまり、それは物体と関連しているかそうでないかのどちらかであり、他の銀河とは別に独自の存在を持っているということだ。」

これは、地球上で暗黒物質を検出するために設計された実験に取り組んでいるジョディ・クーリーのような物理学者にとって、うれしいニュースです。これらの実験ではまだ暗黒物質を直接検出できていないため、たとえ遠い銀河からであっても、彼らが正しい方向に進んでいるという証拠は特に心強いものです。

「これは、全力で前進すべきことを示唆している」と、この論文には関わっていないクーリー氏は言う。「残念ながら、どこを見るべきかを正確には教えてくれない。しかし、この論文は、暗黒物質が粒子であるという考えに信憑性を与え続けており、私はとても満足している。」

次は何が起こるでしょうか?

ファン・ドックム氏のような天文学者たちは、他の候補も調べて、このような天体が宇宙にどれくらい存在するのか、また、宇宙全体にどのように分布しているのかを解明しようとしている。

「その後、私たちはもっと発見できるかどうか探し回ります。結果が発表されれば、他の人もきっとそうするでしょう」とヴァン・ドックム氏は言う。「まず、彼らはおそらく私たちの間違いを証明するのに時間を費やすでしょう」と彼は笑いながら付け加える。「しかし、その後、彼らは他の物体を探し始めるでしょう。」

その間、物理学の他の分野の科学者たちも探求を続けるだろう。

「暗黒物質の探索には相補性があります」とクーリーは説明する。彼女が地球上で暗黒物質粒子の検出に取り組んでいる一方で、大型ハドロン衝突型加速器で研究している科学者たちは粒子同士を衝突させて独自の粒子を作り出し、その特性を研究している。一方、ヴァン・ドックムのような天体物理学者や天文学者は、暗黒物質が宇宙の構造に及ぼす影響の調査を続けている。

「暗黒物質とは何か、そしてこの全体像の中で実際に何が起こっているかを理解したいのであれば、私たちが地球上で検出しているもの、そして衝突型加速器で作られているものが、宇宙で観測されているものと同じものであることを知りたいのです」とクーリー氏は言う。「コミュニティとして協力すれば、いつか本当に全体像を理解できるでしょう。」