暗黒物質は見えませんが、それをマッピングする独創的な方法があります

ハッブル宇宙望遠鏡から撮影された画像には、次のような歪みが見られます。

今日の物理学、そしておそらくすべての科学における最大の疑問は、一見単純な問題のように見えます。それは、「宇宙は何でできているのか?」ということです。その答えは、私たちの周りで目にするすべてのもの、あらゆる物体、あらゆる塵、あらゆる粒子が、存在するすべてのもののわずか 5% にすぎないことを知るまでは明らかではないでしょうか。この普通の物質は圧倒的に少数派であり、宇宙の残りの部分は 27% が暗黒物質、68% が暗黒エネルギーです。

「暗黒物質は何よりも物質だ。それはどこにでもあり、暗闇の中に潜んでいます」とエディンバラ大学の宇宙学者アレックス・ホールはデジタルトレンドに語った。 「この非常に根本的な謎が理解されていないのです。」

銀河の運動により、この暗い宇宙が存在するはずであることはわかっていますが、見ることも触れることもできません。そうなると暗黒物質の研究はほぼ不可能になると思うかもしれませんが、実際、私たちはこの隠された世界の理解にこれまで以上に近づいています。

宇宙の構造を支える

暗黒物質はただ空いた空間を埋めて浮遊しているわけではありません。重要なのは、それは通常の物質と同様に、塊や構造の中に存在するということです。それは通常の物質が光る構造を形成し、銀河と宇宙全体の構造に関与していると考えられています。

「私たちは、銀河が暗黒物質が作り出す足場の中で形成されることを知っています」と、サセックス大学の天文学者で初期宇宙研究者のスティーブ・ウィルキンスは説明した。 「私たちが見ているものを説明することは、私たちの宇宙にとって不可欠な部分です。」

「暗黒物質がどうあるべきかについて、理論的には明確に把握できていません。」

これは暗黒物質の重力の影響によるもので、暗黒物質の塊はより多くの暗黒物質を引き寄せ、通常の物質も引き寄せるでしょう。星は形成するために高密度のガス雲を必要とするため、暗黒物質が多く存在する領域で形成される傾向があります。

したがって、暗黒物質は、宇宙の歴史を通じて、そして現在形成されている新しい銀河の両方において、星の形成、ひいては銀河の形成を実際に推進しているのです。 「暗黒物質の存在は、実際に今日の銀河を形作っているのです」とウィルキンス氏は言う。

暗黒物質は見えませんが、それをマッピングする独創的な方法があります

未知の地図を描く

暗黒物質は重要であるのと同じくらい重要ですが、他の粒子のように物質や光と相互作用しないため、このテーマを実際に研究するのは困難です。

「私たちが何を探しているのか、実際にはよくわかりません」とホール氏は言う。 「つまり、暗黒物質がどうあるべきかについて理論的にしっかりと把握していないため、これを行うための完璧な実験を計画するのは難しいのです。」

ただし、暗黒物質を直接検出することはできないかもしれませんが、重力の影響により、暗黒物質がどこにあるかを見ることはできます。したがって、現在この惑星を研究するための主な方法の 1 つは、暗黒物質が宇宙全体にどのように分布しているかを調べることを目的として、その位置をマッピングすることです。

それが欧州宇宙機関が 最近立ち上げた ユークリッドミッションの目的であり、ホール氏とウィルキンス氏はこのミッションに取り組んでいる。非常に で構築された宇宙望遠鏡は現在、太陽の周りを周回する L2 軌道へ向かっており、そこから太陽からのまぶしさや地球大気からの歪みに対処することなく遠くの銀河を観察できるようになります。目標は、暗黒物質が宇宙全体にどのように分布しているかを示す 3D マップを作成することです。

ESA のユークリッド望遠鏡には、宇宙の暗黒物質の地図を作成するという使命があります。

Euclid は暗黒物質の位置を特定するために、重力レンズと銀河クラスタリングという 2 つの主な方法を使用します。重力レンズまたは弱いレンズは、ジェームス ウェッブやハッブルなどの望遠鏡が 非常に遠い天体を調査する ために使用するのと同じ方法です。これは、十分に大きな物体が実際に時空を曲げ、その後ろから来る光を曲げて虫眼鏡のように機能するという事実に基づいています。

しかし、ウェッブやハッブルは、遠方の天体を研究する方法として、非常に遠い背景の銀河から来る曲がった光を見るためにこの効果を使用しますが、ユークリッドは別の方法でこの効果を使用します。銀河のような前景の物体によって時空がどの程度歪んでいるかを見ることで、その前景の銀河にどれだけの暗黒物質が存在するかを推測できます。

暗黒物質は見えませんが、それをマッピングする独創的な方法があります

目に見えないものを推測する

問題は、宇宙には暗黒物質が大量に存在するにもかかわらず、「それが通常の物質に与える影響は非常に微妙である」ことだとホール氏は言う。

したがって、重力レンズの影響は非常に小さく、銀河の形状の変化は約 1% です。この効果を有意義な方法で測定するには、多数の銀河を画像化することと、非常に正確な画像を取得することの両方が必要です。それが、ユークリッドが空の非常に広範な調査を実行している理由であり、歪みを最小限に抑えるために宇宙に存在する必要がある理由です。

「暗黒物質がたくさんあるところには、より多くの銀河ができる傾向があります。」

ユークリッドが暗黒物質を調査するために使用したもう 1 つの方法である銀河クラスタリングは、暗黒物質の直接的な測定ではありませんが、より強力な効果をもたらします。銀河の位置を 3 次元でマッピングすることで、大まかに言うと暗黒物質がどこにあるかを推測することができます。それは、銀河内の通常の物質が暗黒物質の位置を追跡するためであり、「したがって、暗黒物質がたくさんある場所では、より多くの銀河が発生する傾向がある」とホール氏は説明した。

ユークリッドの調査が完了し、データが分析されれば、約 10 ~ 12 年後には宇宙の暗黒物質の地図が作成され、その分布が時間の経過とともにどのように変化したかを確認できるようになるはずです。

暗黒物質は見えませんが、それをマッピングする独創的な方法があります

一歩ずつ

暗黒物質の地図があるのは素晴らしいかもしれませんが、暗黒物質が実際に何であるかを理解するのにどのように役立ちますか?調査の次のステップにはスーパーコンピューターが必要です。

観測を行う天文学者と、暗黒物質の可能な説明を考え出す理論家が協力する主な方法は、モデルを使用することです。研究者はコンピューティング能力を利用して宇宙のシミュレーションを実行し、暗黒物質に関するさまざまな理論が正しかった場合に宇宙が​​どのように見えるかを確認できます。

暗黒物質が重い場合、または軽い場合、宇宙はどのように見えるでしょうか?暗黒物質が熱い、暖かい、または冷たい場合はどうでしょうか?強力なスーパーコンピューターは、これらのさまざまな要因が宇宙全体の暗黒物質の分布をどのように変化させるかを計算できるため、これらのシミュレーションを実際に見ている宇宙の観察結果と比較することができます。

これまでに私たちが思いついたモデルはどれも完璧に適合するものではありませんでしたが、現在収集しているデータにより、暗黒物質が何であるかについての理論クラス全体を除外または除外できるようになります。

とらえどころのない粒子を見つける

現在、暗黒物質研究のもう 1 つの大きく活発な取り組みは、暗黒物質を構成する可能性のある粒子の探索です。ほとんどの研究者は、暗黒物質はおそらく何らかの粒子であると考えていますが、その粒子が何であるかはわかりません。

大型ハドロン衝突型加速器(LHC)のような素粒子物理学施設は、粒子を衝突させて短寿命のエキゾチックな粒子を生成することができ、そのいずれかが暗黒物質の候補となる可能性があります。

これらの実験では暗黒物質の候補となる粒子はまだ見つかっていないが、粒子のクラスは除外された。そして、LHC を運営するグループである CERN の研究者たちは、超対称性と呼ばれるアプローチに特に興味を持っています。これは、各標準粒子が異なる質量のパートナーを持つ粒子の標準モデルの拡張です。これらの粒子が発見されれば、物理学の大統一理論の構築や暗黒物質の説明に役立つ可能性がある。

最後に、暗黒物質を理解しようとする別の方法は、その相互作用に注目することです。ダークマターは通常の物質とは相互作用しませんが、一部の研究者はダークマター自体と相互作用する可能性があると考えており、この自己相互作用によって生成されるある種の放射線を検出できる可能性があります。 「彼らは何も発見していませんでしたが、統計的な精度と、これらの実験とこれらの実験に課せられる限界についての理解は常に向上しています」とホール氏は語った。

知識の限界を押し上げる

深く謎に満ちた現象の周辺を少しずつ解明するのは気の遠くなるような仕事かもしれないが、研究者は現在利用可能なツールを使って最善を尽くして、謙虚さと協力を持ってそれに取り組まなければならない。

「これは物理学における大きな問題であり、少しずつ取り組んでいく必要がある」とホール氏は語った。

明日、暗黒物質の粒子を発見できれば喜ばしいことですが、実際のところ、現在の暗黒物質研究は地球を揺るがすような出来事というよりも、むしろ考古学的発掘で土を払い落として遺物を明らかにすることに似ています。研究者のチームは、一度に 1 つの考えを排除し、誤った理論を排除して、ゆっくりと真実に近づきます。

私たち人間は、自然、宇宙、そして私たちの周りの世界についてもっと知りたいと思っています。」

「そうやって科学は進歩していくのです」とホール氏は言う。 「理論を捨て去り、最終的には自然を真実に描写していると信じるものに絞り込むことになります。」

過去 10 年間、より高速なコンピューティング プロセッサや新しい望遠鏡などの技術的進歩と理論的発展により、暗黒物質の研究はこれまで以上に推進され、研究者たちは巨大な謎に少しずつ近づいています。

暗黒物質の問題は難しいですが、それが研究者にとって非常に興味深い問題の一部です。 「私たち人間は、自然、宇宙、そして周囲の世界についてもっと知りたいと思っていると思います」とホール氏は語った。 「その理解があると、私たちの人生すべてが豊かになります。」

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