暗黒物質はどこから来るのでしょうか?宇宙には暗黒物質よりも神秘的なものはあるのでしょうか？

科学者たちは、この広大な宇宙には、目に見えず触れることもできない神秘的な物質が存在し、それが幽霊のように宇宙の隅々まで浸透し、宇宙の進化に重要な役割を果たしていると推測しています。それは「暗黒物質」です。

1930 年代、天文学者フリッツ・ツビッキーがかみのけ座銀河団を研究していたとき、彼は銀河団内の銀河が本来よりもずっと速く動いていることを発見しました。これは、銀河を動かし続けるために追加の重力を与えるために、銀河団内にさらに多くの質量が必要であることを意味します。ツビッキーは、この余分な質量は目に見えない物質である可能性があり、それを「暗黒物質」と呼んだと推測した。しかし、暗黒物質の研究は、アメリカの天文学者ヴェラ・ルービンが渦巻銀河の回転曲線を研究していた1970年代まで停滞していた。彼女は、渦巻銀河の外側の星の移動速度は銀河の中心からの距離が増しても低下しないことを発見したが、これはニュートンの万有引力の法則と矛盾していた。そうなると、銀河系内に大量の暗黒物質が存在し、それがさらなる重力を生み出し、外側の恒星がこのような高速で移動することを可能にしている可能性が考えられます。

暗黒物質は電磁力と相互作用せず、光を放射、反射、吸収できないため、「暗黒」物質と呼ばれます。そのため、従来の光学望遠鏡では観測することができません。これが、暗黒物質がまだ仮説の理論的段階にある理由です。光が巨大な天体を通過すると、天体の重力によって曲げられます。この現象は、凸レンズを通して物体を観察するのと似ているため、「重力レンズ」という名前が付けられています。光の進路に暗黒物質がある場合、暗黒物質の重力によって光も曲がります。この歪みの程度を分析することで、科学者は銀河団内の暗黒物質の質量と分布を計算することができます。

この観点から見ると、暗黒物質は非常に神秘的であると言えます。では、宇宙には暗黒物質よりも神秘的なものはあるのでしょうか?

科学者たちは、宇宙で観測可能な物質は宇宙全体の約5％に過ぎず、暗黒物質は宇宙全体の約27％を占めると計算しています。人間は重力の影響から、それが質量を持っていると推測します。しかし、その質量を除けば、この物質を観察し研究する方法はありません。しかし、これはまだ良いことです。少なくとも、この 27% はまだ重要であることがわかります。そして、残りの 68% は私たちにとってさらに謎です。科学者はこの68%を「ダークエネルギー」と呼んでいます。それは非常に巨大な存在であると想像できますが、それが何であるかはわかりません。それが何なのか分からないのに、なぜダークエネルギーと呼ぶのでしょうか?

科学者たちは、宇宙が絶えず膨張しており、その膨張速度は加速していることを発見しました。この現象は既存の物理学理論に反するものです。理論によれば、重力は宇宙の膨張を徐々に遅くし、最終的には縮小し始めるはずだからです。しかし現実には、宇宙は加速的に膨張しており、天文学者は、宇宙のすべてを外側に押し出す神秘的な力が存在し、それが宇宙の膨張をますます加速させているのではないかと考えています。この神秘的な力を私たちは「ダークエネルギー」と呼んでいます。

科学者はコンピューターシミュレーションを通じて、現在の宇宙の状態からビッグバンの始まりまでさかのぼり、宇宙を現在の姿に戻すにはどれだけの暗黒物質と暗黒エネルギーが必要かを知ることができます。シミュレーションで暗黒物質の適切な割合が設定されていない場合、現在見られる銀河の形状は得られません。シミュレーションで暗黒物質と暗黒エネルギーが混在している場合、つまり暗黒エネルギーが存在せず、暗黒物質が 95% を占めている場合、シミュレーションで同じ答えを得ることはできません。したがって、宇宙における通常物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの割合は、それぞれ約 5%、27%、68% となります。

では、暗黒物質と暗黒エネルギーをどのように検出すればよいのでしょうか?

実際、最も直接的なのは、先ほど述べた「重力レンズ」効果です。特定の領域を通過する際の光の曲がりを観察することで、暗黒物質の分布を概観することができます。さらに、宇宙線を通して検出することもできます。例えば、我が国の暗黒物質粒子検出衛星「悟空」は、高エネルギー宇宙線を測定することができます。超新星爆発以外の宇宙線の発生源を発見できれば、暗黒物質を間接的に検出できる可能性もある。さらに、地下実験室での検出は現在、暗黒物質検出の最も直接的な方法の 1 つです。暗黒物質は通常の物質と非常に弱く相互作用するため、極めて静かな環境で検出する必要があります。地下の実験室は宇宙線や地球表面からの干渉を効果的に遮断できるため、暗黒物質の検出に理想的な環境を提供します。現在、世界には暗黒物質の検出実験を行っている地下研究所が数多く存在します。例えば、我が国の金平地下実験室は、四川省涼山県金平山の地下2,400メートルに位置し、世界で最も深い地下実験室の一つです。ここで、科学者たちは暗黒物質の存在の直接的な証拠を見つけることを期待して、一連の暗黒物質検出実験を行っています。

暗黒エネルギーの検出に関しては、現在最も主流な方法は宇宙マイクロ波背景放射を観測することです。宇宙マイクロ波背景放射は、ビッグバンから残った弱い電磁放射です。その分布と特性には、宇宙の初期の状態に関する情報が含まれています。宇宙マイクロ波背景放射を正確に測定することで、宇宙の物質とエネルギーの分布を理解し、暗黒エネルギーの研究の手がかりを得ることができます。

科学者たちは何十年もの間、暗黒物質と暗黒エネルギーを研究してきましたが、暗黒物質がどのような粒子であるかなど、それらの「真の」性質についてはまだほとんど詳細がわかっていません。ダークエネルギーは宇宙定数ですか?しかし、少なくとも暗黒物質と暗黒エネルギーは宇宙の最も重要な構成要素の 1 つであり、その存在は宇宙の構造と進化に直接影響を与えることはわかっています。おそらく、暗黒物質と暗黒エネルギーの謎が本当に解明される日が来れば、私たちは宇宙の本質についてより深い理解を得ることができるでしょう。おそらく、これは私たち人間の哲学の究極の問い、「私たちは何者か？」に関係しているのでしょう。私たちはどこから来たのでしょうか？次はどこへ行くんですか？

著者: 星は光になる

査読者：中国科学院国家宇宙科学センター研究員 周炳紅

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司