最終更新：2024年6月28日

バレットクラスター：宇宙の衝突と暗黒物質の直接的証拠

画像の説明：この擬似カラー合成画像で何が見えますか？
我々はバレットクラスターの全ての物質を見ています。バレットクラスターの2つの銀河団は青い領域にあり、2つの銀河ガス雲はX線で赤く見えます。青色の領域は、クラスターの質量の大部分、すなわち暗黒物質を表しており、これは通常の物質の6倍の質量を持っています。バレットクラスターは2つのクラスターのうち小さい方で、もう一方を貫通しているものです（右側の青い領域）。この巨大な衝突は、2つのクラスターからガスハローを「剥ぎ取り」、小さな赤いスポットの先端に見える衝撃波を生成しました。この衝撃波はクラスターのガスを強く圧縮し、1億度にまで加熱しました。我々は弾丸のようなものとその後に続くガスの尾を識別することができます。クレジット：NASA CXC CfA。

バレットクラスター

衝突する銀河団

バレットクラスター（1E 0657-56としても知られる）は、2つの小さな銀河団の間で起こった壮大な衝突で有名な銀河団です。約34億光年離れた位置にあり、ハッブル宇宙望遠鏡とチャンドラX線観測衛星によって詳細に研究されてきました。その名前「バレット」は、衝突の結果生じたクラスターの特徴的な形状に由来しています。

クラスターの物理的構成

バレットクラスターは、何千もの銀河、高温ガス、暗黒物質で構成されています。チャンドラによるX線観測により、高温ガス（バリオン物質の大部分を占める）が暗黒物質から分離していることが明らかになりました。この分離は、暗黒物質が高温ガスのように通常の物質と同じように相互作用しないため、暗黒物質の存在の直接的な証拠となっています。

重力レンズ効果と暗黒物質のマッピング

バレットクラスターの観測により、天文学者は重力レンズ効果を利用して暗黒物質の分布をマッピングすることができました。背景銀河の画像の歪みを観測することで、科学者はクラスター内の暗黒物質の存在と分布を確認することができました。この技術は、衝突のダイナミクスとクラスターの内部構造を理解するために重要でした。

バレットクラスターの暗黒物質

銀河団内ガスと高温プラズマ

銀河団は銀河だけで構成されているわけではありません。銀河団は低密度（約1000粒子/m³）の冷たいガスと、1000万から1億度に達する高温ガスの中に浸っています。これらの温度では、ガスは完全にイオン化され、X線領域で見えるプラズマを形成しています。

質量分布と宇宙のエネルギー含有量

ガスははるかに拡散して分布しており、銀河間の空間を満たし、さらにその先まで広がっています。クラスターに属するガスの質量は、銀河自体の質量よりもはるかに大きいです。宇宙の大規模な重力ダイナミクスを測定すると、観測可能な宇宙の通常物質の質量は総質量の約4%しか占めていません。約23%が暗黒物質、73%が暗黒エネルギーに対応するとされており、これはSCDM（標準冷たい暗黒物質）モデルで説明されています。我々が星、銀河、クラスターの光を通して観測しているものは、通常物質のみです。

暗黒物質をどのように見ることができるのか？

重力と銀河団の衝突

全ての物質（通常物質と暗黒物質）は重力場の力に従います。バレットクラスター（1E 0657-56）は、りゅうこつ座で観測可能であり、約1億5000万年前に起こった2つの銀河団の衝突の結果です。この衝突の研究は2006年8月に始まり、暗黒物質の存在の最も強力な観測的証拠の一つを提供しました。

衝突時の成分の異なる挙動

クラスターが衝突すると、通常物質（星、ガス、塵）は重力に影響を受けます。実際、星のような大質量天体はほとんど直接衝突しません。星間空間は広大であり、星は互いにすれ違うだけです。星は破壊されませんが、重力相互作用によりわずかに加速または減速されることがあります。

一方、衝突中、銀河団のバリオン質量の大部分を占める冷たいガスと高温ガスは強く相互作用します。これらのガスは、拡散的な性質、弱い結合、原子の自由度のために急激に減速、圧縮、混合されます。この対照的な挙動は、バレットクラスターの合成画像で明確に見ることができます。

X線放射と衝突のエネルギー特性

この巨大な2つのクラスター間の衝突は莫大なエネルギーを放出しました。X線領域での観測は、暗黒物質に関する基本的な洞察を提供します。星、ガス、暗黒物質は、重力衝撃に対して非常に異なる反応を示すからです。

多波長観測

2つのクラスターの銀河は可視光で観測され、複数の白い点として現れます。高温ガスはX線領域で検出され、赤い雲として現れます。一方、暗黒物質は重力レンズ効果によって間接的にマッピングされ、拡散した青い光で表されます。

衝突の幾何学とクラスターの貫通

この画像には、クラスターに集まった何百もの銀河が映っています。右側の青い領域に小さなクラスターが見え、左側の青い領域に大きなクラスターが見えます。関連するガスのエンベロープは赤く見えます。実際、小さな銀河団は大きなクラスターを貫通し、強く減速されたガスを残しました。

衝撃波と銀河団内プラズマの加熱

この衝突は文字通りクラスターからガスハローを「剥ぎ取り」、小さな赤いスポットの先端に見える衝撃波を生成しました。この衝撃波は銀河団内プラズマを圧縮し、約1億度まで加熱しました。チャンドラX線観測衛星は、局所的に4500 km/sに達するガスの移動速度を測定しました。

バリオン物質と暗黒物質の分離：観測的証拠

現在、2つのクラスターは約34億光年離れています。それらの重力ダイナミクスから導き出される総質量は、観測可能な通常物質（光学的に見える銀河とX線で検出されるガス）の質量よりもはるかに大きいです。青色の領域は、見えない暗黒物質の分布を示しています。

この巨大な正面衝突の間、暗黒物質は無視できる衝突成分として振る舞いました。つまり、暗黒物質は他のクラスターを通過し、銀河間ガスとは異なり、相互作用せずに通り抜けました。銀河間ガスは引き裂かれ、減速されました。この暗黒物質とガス雲の間の明確な分離は、暗黒物質の存在の直接的かつ堅牢な証拠となっています。