最終更新日: 2025 年 9 月 5 日

暗黒物質とは何ですか?宇宙を構成する目に見えないもの

ダークマター: ボールクラスター — ブーレ星団のチャンドラデータ (ピンクのバリオンガス) と重力レンズマッピング (青色の暗黒物質) の重ね合わせ。画像出典:チャンドラ X 線天文台

コズミックミステリー

そこには暗黒物質現代物理学の最大の謎の一つです。目に見えず、光も検出可能な放射線も発しませんが、その重力の影響は宇宙のあらゆる場所で測定可能です。現在の宇宙論モデルによると、宇宙のエネルギー量の約 27% がこのまだ未知の物質で構成されているのに対し、いわゆる通常の物質はわずか 5% です。バリオンの。

発見の歴史

暗黒物質の存在が最初に示唆されたのは、フリッツ・ツヴィッキー(1898-1974) 1933 年に、かみのけ銀河団内の銀河の速度を研究しました。彼は、目に見える質量だけでは星団を重力で束縛しておくのに十分ではないことを発見した。その後、1970年代には、ベラ・ルービン(1928-2016) を測定しました回転曲線渦巻銀河。半径の関数として速度の低下を予測するケプラーの法則に反して、ルービンは速度が安定したことを観察しました。支配的な目に見えない塊を暗示します。

ブーレクラスターの見事な証拠 (画像を参照)

コンテキストと発見

L'ブーレットクラスター(第一紀 0657–56) は、約 37 億光年離れたところにあり、暗黒物質の存在を直接示すものと考えられています。この銀河団は 2 つの銀河団の衝突の結果であり (画像を参照)、その分析は X 線データ (赤) と重力レンズ効果 (青) を組み合わせたものです。

X線観察

衛星による観測チャンドラ非常に高温のガスを示します (温度 > 10⁸K)、X線で強く放射します。このガス (赤色) は、星団の目に見えるバリオン塊の大部分を構成しており、衝突時の圧力によって大幅に減速されます。したがって、2 つのクラスターの間の中央に蓄積します。

重力レンズマッピング

総質量分布は、次の効果を使用して測定されました。重力レンズ背景の銀河に。驚くべきことに、重力質量はバリオンガスに対して移動しており、ガスゾーン（青色）の両側の銀河自体の周囲に集中しています。

物理的解釈

このバリオン物質（高温ガス、画像では赤色）と支配的な重力質量（暗黒物質、青色）の間の明確な解離は、観測された重力が目に見える物質だけでは説明できないことの有力な証拠と考えられています。また、質量分布はバリオン物質の分布に従うはずであると予測する MOND 型修正重力モデルとも矛盾します。

したがって、ブーレットクラスターは、として知られる標準的な宇宙論モデルを支持する重要な部分として際立っています。ΛCDM、宇宙のエネルギー含有量の約 27% は暗黒物質に起因すると考えられます。

予測	身体的性質	典型的な質量	活動領域	利点	境界線
WIMP	弱く相互作用する巨大な粒子	10 GeV – 10 TeV	宇宙論と銀河力学	標準モデル（SUSY）の拡張で予測、ビッグバンの熱計算と互換性のある存在量	数十年にわたる直接的および間接的な経験にもかかわらず検出されなかった
アクシオン	超軽量粒子	10^-610時に^-2 eV	宇宙論、恒星天体物理学	という問題を解決できるCP強い: Peccei-Quinn 対称性の導入により自発的に破れ、QCD のパラメーター θ がゼロに向かって動的になります。この場の量子励起はアクシオンです	光子アクシオン変換実験（ADMX、CAST）に依存、宇宙論的存在量パラメータは不確か
マッチョ	巨大なコンパクト天体（褐色矮星、原始ブラックホール）	0.1～10M☉	銀河の暈	重力マイクロレンズで観測可能な簡単な天体物理学的説明	人口が少なすぎて黒質量全体を説明できないため、検出は統計的に制限されています
無菌ニュートリノ	仮説上の非相互作用ニュートリノ	keV – MeV	宇宙論、構造の形成	暖かい暗黒物質を説明でき、小さな構造の形成に影響を与える	X線と宇宙論的データに制約されており、モデルはまだ推測の域を出ない
世界	低加速度におけるニュートンの法則の修正	粒子なし	銀河の力学	暗黒物質のない銀河の回転曲線を正確に説明する	宇宙論（CMB、クラスター形成）と互換性がなく、物理的検出はありません
追加のエキゾチック粒子	例: 重力粒子、SUSY からの超粒子	10GeV – 1TeV	原始宇宙、銀河の光輪	長期的には安定している可能性があり、観察された存在量を説明できる	検出は非常に困難で、理論モデルに大きく依存します