今日の宇宙画像　2005年9月11日号暗黒物質、ダークマター概論　惑星テラ見聞録

自己の宇宙、遥かな宇宙　全ての答えがこの宇宙にあります。
惑星テラ見聞録は、答えを探す切っ掛けを提案します。

　このページは、今日の宇宙画像
2005年9月11日号　です。

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問いに遭遇し、答えを得て、理解へ歩む

2002年6月15日開設
2005年8月15日改訂

What is a Dark Matter ?
Credit: Rychard Bouwens (UCO/Lick Obs.), ACS Team, NASA
Explanation
While carefully measuring the speed of rotation of galaxies, astronomers stumbled upon a profound cosmic mystery. They could estimate what the rotation speed should be by calculating the mass of all the visible stars and gas, thereby determining the gravity of the galaxy. Much to their surprise, the measurements showed that most galaxies are rotating faster than they should. Not a little faster. Much faster! More than twice as fast. This meant that, according to Einstein's theory of gravity, these galaxies should be flying apart. Yet clearly, they are not.
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　今日の宇宙画像は、暗黒物質、ダークマターについてです。
　得体の知れない宇宙の「物質」故に、存在の肯定派と否定派に二分される宇宙論の領域です。
　最初から「無い」という否定の立場では、理論の進捗も停滞しますので、見えないけれど「存在」するという立場から考えてみたいと思います。
　ほとんどの事象については、まず、肯定する立場から考えることで、真相に近づくといえるでしょう。
　という事で、私は今回の総選挙の結果を渋々ながらも受け止めることにしました。
　しかし、常に野の視点を曇らせないように磨いていくことにします。
　祝杯の酔いは、必ず覚めます。
　風に舞った皆さんも選良として心眼を曇らせないように希望します。

　2005年 9月13日　t.sasaki

暗黒物質とは何？

画像の説明

　綿密に銀河の回転速度を計る一方、天文学者は、深い宇宙ミステリーにつまずきました。
　天文学者は、全ての可視の星とガスの質量を計算することによって銀河の重力を決定し、回転速度を上げるのが何であるかを推定することができました。
　非常に驚いたことに、測定値は大部分の銀河がそれらより速く回転していることを示しました。
　少なからずより速く。非常により速く、十二分に２倍も速く！
　これは、重力の相対性理論によれば、これらの銀河がバラバラに飛んでいなければならないことを意味しました。
　けれども、明らかに、それらはそうではありません。

		このROSAT Ｘ線画像は、銀河の集団の光学の写真の上に重ねて、疑似の赤い色で強調した熱いガスを示します。　科学者は、多くの可能性を考えています。　暗黒物質の候補としては、MACHOS、WIMPS、GASが考えられています。　最近、天文学者は、他の星を囲む褐色矮星か非常に大きい惑星である若干の天体を見つけました。　遠い星の輝いて暗くなる前景星の重力レンズ効果によると思われる観察は、また、私たちの銀河において更なる証拠を褐色矮星の大きい個体群として提供するかもしれません。　しかし、褐色矮星が私たちの銀河において豊富さで確認が取れず、暗黒物質を説明する証拠がまだありません。
Credit : ROSAT/CXC/NASA
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白色矮星は、小から中程度の大きさに分類される星の最終的な凝縮された状態です。　白色矮星は、豊富に存在していると知られています。　多分、若い銀河が現在の理論が予測するより、速く冷えて白色矮星を誕生させるならば、それらは暗黒物質を説明するのに十分に豊富な可能性があります。　しかし、現在の理論に良く代わり得るものが、存在しません。また、多数の白色矮星の生成は、多量のヘリウムの生産を意味しますが、それが観察できていません。　中性子星またはブラックホールは、非常に大きい星の最終的に凝縮した状態です。　それらは、暗闇で特にブラックホールである可能性があります。そして、いわゆるホーキング放射のごくわずかな量を除いて、それは全く暗いです。　しかし、これらの天体は、白色矮星より非常に不足していると予想されます。また、これらの天体を誕生させる過程は、多くのエネルギーと重い元素を解き放ちますが、そのような放出の証拠がありません。　WIMPSは、弱く相互に作用している大量の粒子です。　例示するならば、極めて不安定で捉え難い原子を構成する粒子の例えばアクシオン、大きいニュートリノ、フォティーノなどです。　理論的には、WIMPSは、暗黒物質を説明するために正確な総計で、そして、適切な特性で宇宙のビッグバン起源で発生することができました。　しかし、暗黒物質を説明するそれらの十分な量は言うまでもなく、誰もこれまでにこれらの粒子のうちの1つさえ観察しません。　それから、水素ガスも考えられます。　宇宙における見える物質の70から75パーセントは、最も単純な元素の水素の形であります。暗黒物質が、非常に多い水素ガスの小さい雲であることはあり得るかもしれません。　しかし、水素ガスを電波、赤外線、光学、紫外線、Ｘ線などの望遠鏡による徹底調査の敏感な目から隠すことは、非常に難しいです。

可能性のある答えは、何でしょうか？　大部分の銀河が、電波、赤外線、光学、紫外線、Ｘ線、ガンマ光線などの望遠鏡で観察することができない物質の「暗い」若干の形で囲まれることがあり得るのでしょうか？　これまで全ての事例において正しいと認識された重力の相対性理論は、どうも間違っている可能性があるのでしょうか？　Ｘ線望遠鏡は、銀河の集団で数百万度におよぶガスの巨大な雲を発見しました。　これらの暑いガス雲は、集団の質量を増やしますが、ミステリーを解くに十分ではありません。　実際、それらは暗黒物質の独立した測定値を提供します。　測定値は、私たちが観察する全ての星の少なくとも４倍多くの暗黒物質とガスがなければならないことを示したり、熱いガスが集団から脱出していることを示します。　暗黒物質と成り得る可能性は、何でしょうか？
	Credit : CXC / NASA
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		1年後に、フリッツ・ツウィッキーは、銀河の集団の力学を調べて、更に観測された銀河が、集団内に重力で銀河を結びつけるために必要な質量の10%を占めるだけだったという驚くべき結論に達しました。　行方不明の質量の量を推論する1つの広く使われた方法には、渦状銀河の回転速度の測定があります。　分光器と電波観察は、何百もの渦状銀河の回転速度を得ました。　これらの実験で、ほとんどの場合、銀河の質量が、星々のその見えるディスクの端に向かって増加し続けることが分かりました。　これは、渦状銀河が、見ることができない物質のハロー現象（かさ）で囲まれていることを意味します。　楕円銀河、グループ、銀河団の観察は、重力で見える天体と相互に作用している暗黒物質の存在を示します。　暗黒物質の性質とその存在量は、今日でも、現代宇宙論において最も重要な問題の一つです。
Credit: NASA/ESA/JHU/STScI/ESO
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現在までに知られている全ての見える天体は、宇宙で総量の10%を占めているだけです。　他の「行方不明」の質量の多数は、「暗黒物質」と呼ばれていて、可視光線や電磁波放射の他の種類を発しないか反映しないので、おそらく見えません。　あるいは、おそらく、その光は、現在の天文器具がそれを見つけることができないほど弱いです。　しかし、暗黒物質は、他の近くの見える天体に及ぼすその重力影響によって、間接的に検出することができます。　暗黒物質の存在は、私たちの天の川のディスクと関連して近くの星々の垂直運動を測定した天文学者のジャン・オールトによって、1932年に最初に発見されました。　彼は、地球の質量が落下物の加速度から計算できるように、これらの星々に対する銀河のディスクの重力影響を調べて、銀河ディスクの質量を計測することが出来ました。　驚いたことに、この計算された質量は、星々と星雲の２倍と考えられる質量でした。
	Credit: NASA/CXC/ESO/VLT et al.
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		初期の宇宙での暗黒物質の温度は、宇宙の初めのころの進化を左右したかもしれません。　ビッグバンの後まもなく、そして、銀河の形成に先立ち、物質は、集合に至るまで重力の影響を受けて始まりました。　暗黒物質は、普通の物質が、星々と銀河の形態で集合できる塊りだらけの背景を「種」として提供したかもしれません。　もし、粒子のごくわずかな無規則な運動があった所で「冷たい暗黒物質」が存在したならば、銀河形態は、小規模で始まったでしょう。　物質は、現在の銀河に相当するか、それよりも小さい規模に集まって、結局は、銀河の重力による集団と超銀河団を組み立てたでしょう。　しかし、「暖かい暗黒物質」が存在したならば、それは、初めにできた小さい規模の銀河の「種」を消したでしょう。　そして、その代わりに、個々の銀河に続いて、超銀河団や集団とほとんど同じ大きさの巨大なガスのホットケーキのような構造が、凝縮して作られます。
Credit: ESO/VLT et al.
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それは、何でできているのでしょうか？　一部の天文学者は、暗黒物質は、重粒子的であるか、あるいは、単に「通常」物質と呼ばれている陽子と中性子から成ると思っています。　重粒子的暗黒物質候補は、水素融合で加熱するのに十分な大きさでなかった褐色矮星と呼ばれる太陽系外の惑星や彗星のような星の進化の残りの天体、冷えた白色矮星のような星々の瀕死の残り、中性子星、恒星間と銀河系間に存在するのと同様なガスがあります。　非重粒子的暗黒物質は、他方では、強く通常の物質と相互に作用しない素粒子の可能性があります。　ニュートリノ粒子を除いて、多くのそのような素粒子は、まだ理論の領域内にあり、検出されていません。　全ての見える物質が、宇宙の総質量で僅かな量だけなので、多数存在する暗黒物質の量が、宇宙の進化の将来を決定します。　もし、十分な暗黒物質がないならば、重力で宇宙を結びつけられないので、宇宙は永遠に広がり続けるでしょう。　もし、宇宙を一緒に重力で保持するのに十分な質量の暗黒物質があるならば、宇宙は、その拡大を減速したり停止するかもしれなくて、縮んで、結局は、崩れ始めるかもしれません。
	Credit : NASA/CXC/ESO et al.
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　３Ｄ立体画像の付録です。交差法で立体的に見るには、左右の画像の中間(画像下の真ん中の黒点の上)に両目の焦点を合わせます。いわゆる、寄り目にします。平行法で立体的に見るには、左右のそれぞれの画像の下にある黒点の上の真ん中あたりに視線を持っていきます。このときには、両方の画像が、ぼんやりと見えるように画面をつき抜いてその先に焦点を当てるつもりで見ます。ほとんどを交差法にしています。平行法で見たい方は、画像をコピーして左右の画像を入れ替えてください。２００２年４月３０日ページに立体視の方法について掲載しています。