銀河の守護者を探して: なぜ銀河は崩壊しないのか?

銀河は宇宙の最も壮観かつ基本的な構成要素であり、膨大な量の星、ガス、塵を含んでいます。しかし、その華やかな外見の下には、実は宇宙の最も暗い秘密が隠されています。

数十年前、天文学者が渦巻銀河を観察していたとき、銀河の外側で非常に不合理な現象を発見しました。そこにある物体があまりにも速く動いていたのです。

ニュートンとアインシュタインの重力理論によれば、重力は距離の二乗に反比例します。これは、質量が最も集中している銀河の中心から遠く離れた物体は、銀河の中心に近い物体よりも弱い重力を感じるため、より遅く移動することを意味します。しかし、観測により、天体の速度は理論的に予想されるように低下​​するのではなく、ある一定の距離を超えると魔法のように安定し始めることがわかっています。

これは非常に驚くべき発見です。もし銀河の外側の物体がそれほど速く動いていたなら、すでに銀河の制御を外れて飛び去り、銀河の崩壊を引き起こしていたはずだ。しかし、これは起こりませんでした。なぜでしょうか?静かに銀河を守っているものは何でしょうか?これは皆の好奇心を刺激しました。

まず最初の可能性を考えてみましょう。

まずは100年以上前を振り返ってみましょう。当時、天文学者のルヴェリエは太陽系における天王星の軌道を分析し、その軌道がニュートンの万有引力理論の予測と一致しないことを発見しました。当時、ニュートンの理論は大きな成功を収めていたため、この基本理論に疑問を抱く人は誰もいなかった。それどころか、ルヴェリエは詳細な数学的計算を行った結果、天王星の向こう側に、天王星に影響を与えている未発見の惑星がもう一つあると予測した。 1846年、天文学者ガレは、ルヴェリエが予測した位置から1度以内のところに、失われた質量である海王星を発見しました。

同じことが銀河の外でも起こっているかもしれない。星を含むすべての目に見える物質の合計では、高速で移動する天体を説明できませんが、褐色矮星、赤色矮星、白色矮星、中性子星、ブラックホールなど、通常の星よりもはるかに明るさが劣る天体が多数存在し、追加の重力を及ぼしているとしたらどうなるでしょうか。しかし、天文学者たちは広範囲にわたる調査の結果、これらの天体の総量が失われた質量を補うのに十分ではないことを発見した。

次に、2 番目の可能性を見てみましょう。

海王星の成功に続いて、天文学者たちは水星の動きにも異常があることを発見した。そうすると、水星の近くに未発見の惑星があるかもしれないというのが自然な推論です。しかし、多くの調査にもかかわらず、水星の近くに別の惑星は発見されていません。もちろん、彼らはそれを見つけることができませんでした。なぜなら今回、私たちに必要なのは、ニュートンの理論を超えたまったく新しい重力理論だからです。 1915年にアインシュタインが一般相対性理論を提唱したとき、水星の問題は完全に解決されました。

ということは、銀河規模あるいはさらに大きな規模では、実際にアインシュタインの理論を修正する必要があるということでしょうか?それは可能であり、多くの理論家が試みていますが、これまでのところ、すべての問題の解決策となる理論は現れていません。

銀河の模式図（TuChong.com からの画像）

さて、3番目の可能性を見てみましょう。銀河の中には、瞬く星や輝くガスや塵といった通常の物質の他に、重力によってのみ通常の物質と相互作用する目に見えない物質が大量に存在する可能性があるのでしょうか。この目に見えない物質が「暗黒物質」と呼ばれるものであるという考えは非常に魅力的です。つまり、銀河は巨大で拡散した「暗黒物質ハロー」に囲まれている可能性が高く、これが追加の重力をもたらして銀河が安定性を維持できるようにしている。

その後、他のすべての観測からも、宇宙は光を放射せず、光を吸収せず、光を反射もしない暗黒物質で満たされているはずであるという事実が示されました。計算によれば、宇宙の物質の約 85% は暗黒物質です。

天文学者は重力レンズと呼ばれる手法を使って、宇宙の暗黒物質の分布を地図に描きます。すべての物質には質量があり、したがって重力があり、それが周囲の空間と時間に影響を与えることはわかっています。アインシュタインの理論によれば、遠くにある背景の銀河からの光が地球に近い前景の銀河を通過すると、前景の銀河の重力によって周囲の時空構造が歪められ、光学レンズで曲げられたときのように光の進路が曲がります。光がどの程度曲がっているかから、科学者は前景の銀河の質量を推測することができます。結果は、銀河内の可視物質だけでは光の曲がりを説明するのに十分ではなく、大量の暗黒物質が存在するはずであることを示した。

さて、暗黒物質が実在すると仮定すると、それは正確には何でしょうか?理論家たちは、暗黒物質はおそらくこれまで発見されたことのない 1 つ以上のまったく新しい粒子であると考えています。この目的のために、彼らは多くの仮説上の候補粒子を提案しましたが、これらの粒子の質量と特性は大きな不確実性にさらされていました。ある種類の理論では、暗黒物質は「弱い相互作用をする巨大粒子」（WIMP）の一種で構成されていると予測されており、これは現在宇宙で観測されている暗黒物質の密度を自然に説明できるため、支持されている。

現在、この暗黒物質粒子を探索する方法は3つあります。 1つ目は直接検出であり、科学者は地下深くに検出器を構築し、暗黒物質粒子と原子核の衝突の証拠を直接捉える。 2つ目は間接検出であり、科学者はガンマ線やニュートリノなどのデータから暗黒物質粒子の消滅または崩壊生成物を探します。 3つ目は衝突検出であり、高エネルギー粒子ビームを衝突型加速器で衝突させて暗黒物質粒子を直接生成します。

現在、我が国には暗黒物質粒子と原子核の衝突を直接探査する金平地下実験室があるだけでなく、間接的な手段で暗黒物質を探索する「悟空」衛星もあります。もちろん、科学者たちは WIMP に加えて、アクシオンやステライルニュートリノなど、他の候補粒子も積極的に探しています。しかし、現在に至るまで、暗黒物質の性質は依然として大きな謎のままです。

それで、銀河を守っているのは一体何なのでしょうか?まだ分​​かりません。私たちにできることは、好奇心を持ち続け、忍耐強く、さまざまな可能性を探るために一生懸命努力することだけです。最終的には、予想外の利益が得られるかもしれません。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: シェン・ウェン

監査：韓国基準

制作：中国科学技術協会科学普及部

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