宇宙を統べる

暗黒世界の神秘

１．宇宙の構造と観測 ２．暗黒物質が存在する証拠 ３．暗黒物質の候補となる素粒子

宇宙の主な成分は正体不明の

暗黒エネルギーと暗黒物質だった！

１．宇宙の構造と観測

•星の誕生の場である銀河は宇宙に一様に 分布しているわけではない。 •その分布は、宇宙の大規模構造と呼ばれる “蜂の巣状”の構造を持っている。 •このような構造を見つけ出すために 用いられる観測手段はいかなるものなのか

自然界の構造

素粒子 原子核 原子・分子

多様な物質

星 銀河・銀河団

各々の階層に特徴的な物理法則の存在

宇宙

< 10 cm -14

～10 cm -13

～10 cm -8

10 ～ 10 cm

4

10 ～ 10 cm

6

10 ～ 10 cm

25

～10 cm 28

“大きさで見る”

-5

14

22

宇宙の階層構造

恒星 銀河 銀河団

超銀河団

泡状 大規模構造

１０ 個 11

１０ 個 2～3

１０ 個 2～3

例：太陽

質量 M ～2×10 g 33

光度 L ～4×10 erg/sec

33

密度 ρ ～1 g/cc

ρ～10 g/cc

-25 ρ～10 g/cc

-28 ρ～10 g/cc

30

銀河の分布地図

我々の住む天の川銀河を中心とした銀河分布図 水平方向は銀河面にあたり、観測データが無い

“蜂の巣状構造” 銀河が壁状に集中 する領域と 銀河が存在しない 領域の共存

○ 測定から決められる物理的な量

天体の移動速度

天体の質量 天体の発する光の強度と スペクトル（波長構造）

天体間の距離

○ 各種望遠鏡を用いて天体の発する光 （電磁波）の強度やスペクトルを測定

遠方の天体現象の背後に隠された諸性質を 解明するために、観測される量と観測の基本 原理を概説しておこう。

どの程度の分解能で見るかで物の見え方は違う

粗く見る 細かく見る

アンドロメダ座の場合

一様に見えるものも、細かく見れば構造が見えてくる

どの波長の光で見るかで物の見え方は違う

天体自身の性質と天体周辺の物理的情報

光の強度（光度）とスペクトル

•光度:単位時間に放出される光のエネルギー •スペクトル:光の振動数構造

○ 星のエネルギーは核融合反応による

光度～1026 cal/sec

24 100Wの白熱電球およそ 4×10 個分に相当

質量光度比

(質量)/(光度)～2×10 g･sec/cal 7

太陽の場合

○ 吸収スペクトル等による物質環境の把握

スペクトル構造の変化から速度への情報

何らかの方法で 推定 明るさの比較

見かけの明るさ

真の明るさ

天体観測で使う距離の単位

パーセク(pc)

R

4πR X 2

1pc = 3.08 x 10 cm = 3.26 光年 18

測定の基本原理 ： 距離

ドップラー効果

スペルトルの 特定

光源の波長 観測される波長

天体の移動

V 観測される波長 光源の波長

天体の速度

測定の基本原理 : 速度

ニュートンの運動法則

と の距離

の速度

の質量

R

V

M

m

測定の基本原理 ： 質量

２．暗黒物質が 存在する証拠

•長年にわたる天体の観測から、天体運動に関して奇妙な点が複数存在することが明らかになってきた。 •これらの謎は、暗黒物質の存在を仮定することで共通に解決できるものである。 •最新の観測結果も含めて紹介する。

① 銀河団の安定性に関する謎 ○ かみのけ座銀河団内の銀河の運動

何故バラバラに ならないのだ！

「銀河の速さは大き過ぎて光って見える物質の 重力では銀河団として安定に存在し得ない。」

○ ガス団から放出される近年のX線観測にから、 ガス団の安定性に対しても指摘されている

ツビッキーの疑問 （１９３３年）

② 銀河の回転曲線の謎

B

渦巻き銀河の周辺部の星の速さ

A 重力

観測結果 光って見える物質からの予想 （Aに質量集中）

Aからの距離

の速さ

B

Aからの距離

の速さ B

V ∝ 1 R

ドップラー効果等を使って Bの速さを観測する

(a) (b)

現実の渦巻き銀河

回転曲線を実現する星の速度から生み出される渦巻銀河

(a)の場合 (b)の場合

③ 各種天体における質量・光度比（質量/光度）

恒星 原子核反応を通してエネルギーを生成

質量と光度の関係を予想できる

「太陽系近くの星とそれほど違いはないだろう」

観測結果

光が不足！

光らない物質の存在？ 100pc 1kpc 10kpc 100kpc 1Mpc 1

10

100

系の大きさ

太陽を基準とした質量光度比

太陽近傍

銀河系 銀河団

pc=3×10 cm 18

☆“光らない質量”の存在を仮定すると これらの謎がうまく説明できる！ この“光らない質量”を暗黒物質、 あるいはダークマターと呼ぶ。

銀河

銀河を浸し取り巻く ハローとして存在する。 3cm 中 水素原子約1個分の質量

3 ハロー

☆ 予想される暗黒物質の存在形態

３

重力レンズ効果

より直接的な形で観測される暗黒物質の存在

巨大重力源

光源

重力により光の経路が曲げられ、光源の無い場所が 光って見える

を観測

光らない重力源の存在確認になる

重力レンズ効果でとらえられたMacho

(Macho : Massive Compact Halo Object 銀河系のハローの中に存在する小さな天体)

銀河系にはこのような光をほとんど発しない 天体が存在する。Macho以外にもブラックホール、 褐色矮星などがある。

アベル銀河団1689で観測された重力レンズ効果

青い弧が背景銀河の 重力レンズ効果に よる像

黄色輝く銀河の生み出す重力はこの像を生み出す のに必要な重力の1％に過ぎない

最近の観測の観測が明らかにした暗黒世界

宇宙背景放射の 揺らぎの構造の 詳細な観測

① 宇宙背景放射の観測（WMAP）

暗黒物質について精度の高い定量的なデータが得られるようになった

人工衛星搭載の 望遠鏡を使用

② 遠方の超新星の観測

Ia型超新星

現在の宇宙が加速膨張していることを示す

星進化の最終段階で起こる爆発現象

宇宙を満たすエネルギーの 形態と割合

宇宙の加速膨張を説明するには特別な性質を持つエネルギーを持つエネルギーが、現在の宇宙の全エネルギーの大部分を占める。これは、暗黒エネルギーと呼ばれる。

通常の物質は全エネルギーの ４％に過ぎない

３．暗黒物質の 候補となる素粒子 •暗黒物質は、陽子や中性子のような通常の物質から構成される天体ではなく、宇宙初期に宇宙を満たしていた素粒子の一部と考えられる。 •そのような素粒子の満たすべき性質と、現在の宇宙に多量に残存することになった理由を考える。 •暗黒物質の性質が、銀河の分布を決定した。その性質とは何か？

暗黒物質に要求される３つの性質

① 光らない（電磁相互作用をしない）

② 質量を持ち重力を感じる

③ 多量に安定に存在する

①②について、既知の素粒子にその候補が 存在するかを調べていく

③は、膨張宇宙の中での素粒子反応を考える ことで説明されることを見る

光らない その物質は電荷を持たず、あらゆる 波長領域に渡って光を感じない。

可視光 赤外線 紫外線 X線 γ線 電波

電磁相互作用をしない。

波長 短 長

このような素粒子が存在するのか？

？

？ ？

？

普通、光（可視光）と呼ばれるものは特定の波長領域の 電磁波のことで、他の波長領域は次のように呼ばれる。

素粒子の標準模型

ニュートリノ：電荷を持たない唯一の 物質粒子

ク ォ ｜ ク

レ プ ト ン

第一世代 第二世代 第三世代

アップ

ダウン

チャーム

ストレンジ

トップ

ボトム

電子 ニュートリノ

電子

ミュー ニュートリノ

ミューオン

タウ ニュートリノ

タウオン

強い相互作用

グルーオン

電磁相互作用

光子

弱い相互作用

Ｗボソン Ｚボソン

物質粒子 相互作用の媒介粒子

素粒子の相互作用

強い相互作用 電弱相互作用 重力相互作用 電磁相互作用 弱い相互作用

グルーオン 光子 Ｗ、Ｚ粒子 重力子

－５ －４０

クォーク 荷電粒子 クォーク レプトン

質量を持つ 粒子

－２ １０ １０ １０ １

相互作用の 大きさの目安

相互作用を 受ける粒子

相互作用の 伝達粒子

相互作用の 種類

力は粒子の交換によって生じる

• 電磁気的な相互作用をしないニュートリノが、質量を持つことはニュートリノ振動実験を通して明らかになった。 • ニュートリノは、条件の①②を満たし、暗黒物質の候補となる可能性が存在する。 • ニュートリノが暗黒物質の正体であるかをどうかを判定するために、暗黒物質の性質と暗黒物質がもたらす宇宙の構造の関係に注目しよう。

ニュートリノは暗黒物質か？

暗黒物質の性質は、宇宙膨張の過程でその粒子がどのように取り残されてきたかで決まる。

宇宙全体は素粒子の熱いスープで満たされていた

様々な素粒子の生成･消滅が繰り返される世界

熱平衡

運動エネルギー （温度Tに比例） ＞質量エネルギー ( E = mc )

反応は可逆

温度 T

2

膨張宇宙の初期において

宇宙の膨張に伴う素粒子の孤立化（脱結合）

宇宙の膨張の速さ ＞ 素粒子反応の速さ

温度の低下

？

？ ？

？

！

！

！

！ ！ ！

対生成・対消滅なし

は脱結合

脱結合後は安定な 粒子はそのまま残留

•暗黒物質が宇宙に多量に存在する理由は、 ある種の素粒子である場合、宇宙膨張の ある時期における候補となる素粒子の 脱結合（熱平衡からの離脱）の結果として 説明できる。 •脱結合の起こり方で、暗黒物質は 大きく２つに分類され、その性質が宇宙の 構造に大きく関わる。

脱結合した素粒子の性質

脱結合時の温度 ＞ 質量

脱結合時の温度 ＜ 質量

粒子の速さ ～ 光の速さ

粒子の速さ ≪ 光の速さ

熱い残留物質

冷たい残留物質

温度、質量

残留物質としての暗黒物質の性質が、宇宙の構造、大規模構造を決めることになる。

暗黒物質は多量に存在し，星や銀河のもと になる物質（ガスや塵）を重力により引き 寄せる。

暗黒物質の宇宙空間における分布が、 銀河の分布（大規模構造）を決定する。

構造の成長を特徴づける2つの要因

重力による引力 素粒子のランダムな運動 宇宙の膨張

密度の大きいところに 集まる。揺らぎの増大 密度の均一化、揺らぎの減少

熱い暗黒物質と冷たい暗黒物質

熱い暗黒物質の作る大規模構造

• 銀河の形成に難点

銀河団 の形成

分裂による 銀河の形成

形成時期が遅れすぎる

冷たい暗黒物質の作る大規模構造

• 銀河がうまくできる

銀河の 形成

銀河団の形成

•大規模構造の説明に難点

• ニュートリノの脱結合時の温度はニュートリノ 質量に比べて十分高く、ニュートリノは熱い 暗黒物質として振舞う。 • その結果、ニュートリノが暗黒物質であるとし た場合、ニュートリノによって作られる宇宙の 大規模構造は銀河団程度の大きさになり、銀河 の形成の説明に困難をきたす。 • このため、ニュートリノは暗黒物質の主要成分 ではありえない。

新たな暗黒物質候補となる素粒子の導入が 必要となっている。

ニュートリノは暗黒物質の主要成分ではない

冷たい暗黒物質から作られる大規模構造

冷たい暗黒物質の密度揺らぎを種に銀河のもとと なる陽子や中性子などで構成される物質群が集まり、 銀河のもとが作られた

暗黒世界が現在の宇宙の構造を決め、宇宙のこれからの姿をも決定する！

•暗黒物質が銀河分布などの宇宙の構造を決めたと考えられる。その存在は宇宙観測を通して定量的に知られるようになってきたが、その正体は依然不明である。

•暗黒物質の有力な候補は宇宙初期に熱的平衡状態にあった素粒子であると考えられているが、もしそうであるならば、現在の素粒子模型は拡張されなければならない。また、宇宙の構造は、自然界の最も小さな世界の性質によって決定されたことになる。

•暗黒エネルギーは、現在の宇宙のエネルギーの大半を占めると考えられる。この未知のエネルギーは今後の宇宙の姿を決定するものであるが、その正体については全く分かっていない。

•これらの問題の解明は21世紀の物理における最大の課題の一つといえるだろうし、新たな未知の物理の扉を開くきっかけとなるかもしれない。