どうやら私たちは騙されて、宇宙がそれを隠していたようです！暗黒物質とは何ですか?

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宇宙の物質のほとんどは肉眼では見えませんが、大きな天体構造に対するその影響は検出できます。

この合成画像は、巨大な銀河団間の激しい衝突によって形成された合体銀河団 Abell 520 の中心領域における暗黒物質、銀河、高温ガスの分布を示しています。画像の中央、青と緑の光が混ざり合う部分には、高温のガスの大部分を取り囲む暗黒物質の塊が見えるが、ここには銀河はほとんどない。 [1-2]

暗黒物質とは何ですか?

天文学者は、宇宙の物質の約85％が暗黒物質であり、残りの15％が通常の物質であると推定しています。宇宙の膨張を加速させる暗黒エネルギーを考慮すると、暗黒物質は宇宙の全質量エネルギーの約27％を占めると原子核研究機構は推定している。

(多くの科学的研究によれば、宇宙は物質とエネルギーで構成されており、宇宙の約 70% が暗黒エネルギーで、残りは通常の物質と暗黒物質であると考えられています。)

天文学者は、宇宙の物質の総質量と、宇宙の物質の総質量と通常の物質（バリオン物質とも呼ばれる）の質量の比率を測定するさまざまな方法を持っています。最も簡単なのは、2 つの異なる測定値を比較することです。

1 つ目は、銀河などの大きな天体構造から放出される光の総量を測定し、そこから構造の質量を推測することです。

2 つ目は、大きな天体の構造の安定性を維持するために必要な重力に基づいて、その天体の質量を推定することです。天文学者はそれらを使って宇宙全体の銀河や銀河団の質量を測定してきました。複数の測定結果を総合的に比較した結果、通常の発光物質の質量によって発生する重力では、これらの発光物質を結合させるのに十分ではないことが判明した。これは間違いなく、暗黒物質と呼ばれる非発光物質が存在することを示しています。

（重力の特性は、簡単に言えば、物体間には相互引力があり、重力の大きさは物体の質量に比例します。つまり、質量が大きいほど重力は大きくなります。天体の速度は軌道半径の平方根に反比例します。つまり、半径が大きいほど速度は小さくなります。しかし、実際の観測比較結果では、外側の天体の速度は低下しておらず、予想よりも大きく、銀河の質量によって発生する重力はそれらを結合するのに十分ではなく、理論的には、まだ他の目に見えない物質が重力を及ぼしていることを意味します。）

暗黒物質と通常物質の比率は銀河ごとに異なります。いくつかの銀河には暗黒物質がほとんど含まれず、他の銀河には通常物質がほとんど含まれません。しかし、平均測定によれば、宇宙の物質の約 85% は光を放射せず、光とも相互作用しないことがわかります。

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それにもかかわらず、天文学者には暗黒物質の存在を確認する方法がまだたくさんあります。たとえば、銀河団などの巨大な天体構造は周囲の時空を歪める可能性があります。光がそれらを通過すると、光は偏向して焦点を合わせられ、反対側に画像を形成します。この現象は重力レンズ効果と呼ばれます。この効果を通じて推定される天体の質量と、私たちが直接見る光り輝く天体の質量を比較すると、実際に重力を生み出す物質の総質量は、光り輝く物質の量よりもはるかに大きいことがわかりました。この結果は、再び、「失われた」質量がどこかに潜んでいることを示しています。

宇宙学者ジョエル・プリマックはかつて講義の中で、暗黒物質が通常の物質を引き寄せて銀河の成長を持続させることができると述べたことがある。コンピューターシミュレーション技術の助けを借りて、大規模な天体構造の進化をシミュレートし、観察することができます。数十億年前、私たちの宇宙は現在よりもずっと小さかった。この期間中、星と銀河は進化し続けました。通常の目に見える物質だけを使用した場合、今日私たちが目にする銀河を形成するには不十分でしょう。

宇宙学者たちはまた、宇宙の初期の時代から計算を試みてきました。最初の12分ほどで、宇宙は最初の陽子と中性子を生成しました。原子物理学の知識に基づいて、その期間中の水素とヘリウムの生成量を推定することができます。これらの計算により、宇宙における現在の水素とヘリウムの比率を正確に予測できるようになります。天体物理学者のネッド・ライト氏は、宇宙のバリオン物質の量にも上限を予測できると述べ、これに基づいて推測されたデータは、今日の銀河や銀河団の実際の観測結果と一致している。

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あるいは、ニュートンの法則とアインシュタインの一般相対性理論を考慮すると、暗黒物質の存在についての仮定は間違っているのかもしれません。おそらく重力の理論はまだ十分に完璧ではないのでしょう。天文学者たちは暗黒物質の概念を導入せず、重力理論に微調整を加えることだけを試みてきた。修正重力理論は、銀河内の星の動きなど、暗黒物質の存在という仮説に基づく過去の観測結果を説明できる場合もありますが、修正重力理論では、宇宙で観測されるすべての現象をまだ十分に説明することはできません。 [3]

すべての観測データは、暗黒物質が光とも通常の物質とも相互作用しない未知の粒子であり、その存在は重力を通じて間接的にしか推測できないことを示唆する傾向がある。天文学者たちは、何兆もの暗黒物質粒子が常に私たちの体を通過しているが、私たちはそれを知覚できないと信じている。

探検の旅は未知のことだらけです。私たちは、科学者たちがいつの日か宇宙の構成の謎を解明できるようになることを願っています。

関連知識

宇宙は、時間、空間、エネルギー、物質（惑星、星、その他の物質を含む）から構成される統一された実体です。宇宙がどのように誕生し、発展してきたかについては、現在ではビッグバン理論が一般的に受け入れられています。この理論によれば、宇宙と時間は約138億年前のビッグバンから始まり、それ以来ずっと膨張し続けている。したがって、宇宙全体の境界は不明ですが、観測可能な宇宙の直径は検出でき、それは約 930 億光年です。

銀河は、恒星、恒星残骸、星間ガス、塵、暗黒物質の重力によって形成される天体システムです。ギャラクシーの語源は、ギリシャ語で「ミルク」を意味する「ギャラクシアス（γαλαξίας）」です。太陽系を含む天の川銀河もこの星にちなんで名付けられています。

古代ギリシャ人が夜空に広が​​る銀色の光の長い川を見上げたとき、神が特定の方向にミルクをこぼしたに違いないと想像し、地平線に飛び散ったミルクが天の川になったのです。宇宙の簡潔な歴史（イラスト版）より改作

銀河の大きさは、数千万個の星を持つ矮小銀河から数百兆個の星を持つ超巨大銀河までさまざまです。平均して、各銀河には約 1 億個の恒星があり、それぞれが銀河の質量中心の周りを周回しています。典型的な銀河では、暗黒物質が物質質量の大部分を占め、恒星や星雲など肉眼で見える天体の質量はごくわずかです。さらに、ほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在する可能性があります。

著者: ポール・サッター

年度: YMD

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