最終更新日: 2025 年 8 月 1 日

失われた質量の謎: ダークマターとダークエネルギー

宇宙の暗黒物質と暗黒エネルギー — WMAP スカイスキャンは、宇宙が誕生してから 138 億年 (精度 1%)、68.3% の暗黒エネルギー、26.8% の冷たい暗黒物質、およびわずか 4.9% の原子で構成されていることを示しています。ビッグバンから約 38 万年後の宇宙マイクロ波背景放射の宇宙放射線マップ。色は人工的なもので、微妙な温度変化を示します。画像出典: (パブリックドメイン) WMAP Science Team、NASA

目に見えない物質とエネルギーの95％の謎

銀河、銀河団、さらには宇宙マイクロ波背景を観察すると、宇宙学者にとっては明らかなことがあります。それは、重力の法則だけでは観察を説明するのに十分ではないということです。しかし、星や惑星、そして私たちを構成する目に見える物質は、単にそれを表しているだけです。4.9%宇宙の。ザ95.1%残りは 2 つの目に見えない神秘的な実体で構成されています。暗黒物質そしてダークエネルギー。

宇宙の構成要素の概要表

宇宙の推定組成 (Planck 2018)
成分	割合	身体的性質	検出モード
バリオン物質	4.9%	原子、プラズマ、塵	発光、吸収、可視光線、X線
暗黒物質	26.8%	不明 (WIMP? アクシオン? ニュートリノ?)	重力の影響 (遅い銀河の回転速度、重力レンズ)
ダークエネルギー	68.3%	不明 (量子真空?宇宙定数?)	宇宙膨張の加速、超新星Ia

ソース：ESAプランクミッション, 2018年の実績です。

暗黒物質: 目に見えない重力の輪

銀河の回転と星団の力学から推定される、暗黒物質はおよそ26.8%宇宙の総エネルギーのうち。光を放出、吸収、反射しません。その存在は、次のような重力の影響によってのみ裏切られます。異常な遅さ銀河中心からの距離に応じた星の速度の減少。大質量ニュートリノ、アクシオン、WIMP（弱相互作用大質量粒子）など、さまざまな仮説が提案されていますが、現在までにその候補は検出されていません。

暗黒物質の性質に関する理論

暗黒物質を直接検出できないことは、超対称粒子から重力場の拡張に至るまで、理論モデルの多様性を刺激します。これらの仮説は、重力があるが電磁気的ではない、質量があるが目に見えないなど、その特性を説明しようとしています。

暗黒物質に関する理論的仮説
候補者	自然	理論的起源	実験状況
WIMP	相互作用の弱い巨大粒子	超対称性 (SUSY)、ニュートラリノ	検出されない（XENONnT、LUX-ZEPLIN）
アクシオン	非常に軽い擬スカラー粒子	ペッセイ・クイン理論、QCD	現在の研究（ADMX、MADMAX）
無菌ニュートリノ	重力のみによって相互作用する不活性ニュートリノ	標準モデルの拡張	確認されていませんが、いくつかの異常と一致しています
自己対話型暗黒物質 (SIDM)	粒子間で消滅または拡散する粒子	銀河構造モデル	クラスター密度プロファイルのテスト
超軽量ブラック素材（ファジーDM）	質量 ~\(10^{-22}\) eV のボソン	宇宙論的ボース・アインシュタイン凝縮	大規模ハローへの影響
マッチョ	非発光のコンパクト天体	ブラックホール、褐色矮星、死んだ星	黒塊の大部分（マイクロレンズ）を除外
モンド / テベス	ニュートン力学の変化	暗黒物質に代わる理論	重力レンズを再現できない
ダークセクターパーティクル (ヒドゥンセクター DM)	非標準的な力（ダークフォトンなど）を介して相互作用する粒子	標準モデルの拡張 (場合によっては弦理論から)	私たちの部門との関係は非常に弱く、間接的な研究が進行中です
原始ブラックホール (PBH)	インフレ時代に形成されたブラックホール	局所的な密度変動を伴うインフレモデル	重力マイクロレンズ、重力波 (LIGO/Virgo)
ミラー素材	ミラーセクターの標準モデルのレプリカ	対称性 \( \mathbb{Z}_2 \)、パリティの尊重によるインスピレーション	ニュートリノ振動または熱効果を介して検出できる可能性がある

出典:ベルトーネ＆テイト (2018)、ラックスとツェプリンのコラボレーション（2022）、ファジーダークマターレビュー (2020)。

ダークエネルギー: 宇宙の加速力

1990 年代の Ia 型超新星の研究によって間接的に発見された、暗黒エネルギーは68.3%宇宙の。それは、宇宙の反重力の一形態として、宇宙の膨張を加速する責任があるでしょう。アインシュタインの方程式の宇宙定数 \(\Lambda\) によってモデル化されたこの理論は、量子場と真空そのものについての私たちの理解に疑問を投げかけます。このエネルギーの密度は時間が経っても一定のままであるようであり、その起源は非常に謎に満ちています。

ダークエネルギーの性質に関する理論

暗黒エネルギーは宇宙論の主要な謎の 1 つです。いくつかのモデルは、真空の固有の特性として、または宇宙のより深いまたは幾何学的な力学の現れとして、空間の膨張に対するその反発効果を説明しようとしています。

モデル	説明	コンポーネント (\(w\))	実験的試験
宇宙定数 (\(\Lambda\))	真空エネルギー、一定密度	\(w = -1\)	プランクデータ、SDSS、SN Ia との合意
真髄	遅いポテンシャルを持つ動的スカラー場	\(-1 < w < -\frac{1}{3}\)	Euclid、DESI、LSST プロジェクト
ゴーストエネルギー	負のエネルギーフィールド	\(w < -1\)	ビッグリップシナリオにつながる可能性がある
K-エッセンス	非標準的な動力学を持つスカラー場	変動、ダイナミクスに依存	Euclid と LSST の予測
修正重力 (f(R)、DGP…)	一般相対性理論の大規模な修正	\(w\) が定義されていません (幾何学的な効果)	大型構造物の訓練に関するテスト
宇宙論的フィードバック	重力不均一性の創発的影響	流体はありませんが、平均的なジオメトリです	コンセンサスがないとモデル化が非常に困難
出現する暗黒エネルギー (エントロピー重力)	熱力学現象としての重力と加速度	古典的な \(w\) はありません	正確な予測を伴わない推測理論
ホログラフィックモデル (HDE)	暗黒エネルギーは情報密度のホログラフィック原理から生じる	\( w \およそ -1 \)、宇宙論的半径に依存します	CMB のテスト、構造のトレーニング、LSST の予定
暗いベクトルフィールド	拡張の加速を担う動的ベクトル	\( w(t) \) フィールドに応じた変数	拡散背景の異方性によってテスト可能なモデル
遅延相互作用理論	時空幾何学に対する物質の影響は即時ではありません	液体、記憶、または通常の物質の遅延効果はありません	推測的な仮説、実験による検証は困難