暗黒物質が完全に目に見えないとしたらどうなるでしょうか?

何十年もの間、暗黒物質は世界中の物理学者や天文学者を悩ませてきました。それはある種の物質です 放射線を一切放出しません （つまり、どの波長の光とも相互作用しない）そのため、私たちの望遠鏡は、それを検出することに関してはまったく役に立ちません。しかし、その重力が星や銀河など、私たちが見ることができる「通常の物質」の物体に影響を与えるため、私たちはそれがそこにあることを知っています。

しかし、最近『Physical Review Letters』と『Physics Letters B』に掲載された 2 つの調査結果が希望の火を灯しました。そして結局のところ、宇宙を支配する物質は、何らかの形で光と相互作用している可能性があります。

この 2 つの研究は、これまで非常に長く実りのなかった暗黒物質の「狩り」を復活させるだけでなく、その本質そのものを再考するよう私たちに強います。もし暗黒物質が本当に発光する「指紋」を持っているなら、私たちは現代の天体物理学における最大の発見の一つに直面することになるでしょう。

銀河中心の輝き

最初の研究は、私たちが住んでいる銀河である天の川の中心部に私たちを導きます。なぜなら、2009 年以来、NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡が、銀河の中心から発せられるように見える一種の「幽霊のような輝き」である過剰なガンマ線を記録しているからです。 「銀河中心GeV過剰」（GCE）として知られるこの輝きは、科学界で長年にわたり激しい議論の対象となってきた。

実際、この現象には 2 つの説明が考えられます。最初の「責任」はパルサーにあります。パルサーは、目まぐるしい速度で回転し（これまでで最速の PSR J1748-2446ad は 1 秒あたり 716 回回転します）、回転するたびにガンマ線を含む強力な放射線ビームを放出する中性子星です。そして 2 番目の最も興味深い仮説は、暗黒物質の粒子が互いに消滅しているというもので、そのためには暗黒物質が「WIMP」（弱い相互作用する大質量粒子）でできている必要があります。理論的には、これらの粒子が互いに衝突するか、反粒子と衝突すると、互いに消滅し、ガンマ線光子の形でエネルギーのバーストを放出します。

これまで、この輝きの形、形態は、その性質を知る上で決定的な要素と考えられてきました。いくつかの研究では、その輝きが本当に暗黒物質から来ているのであれば、光輪の形状は球形であるはずであると示唆しています。一方、ガンマ グローがパルサーから発生する場合、そのグローはより「正方形」の形状になるはずです。

しかし、Physical Reviews Lettersに掲載された論文を主導する宇宙学者ムーリッツ・ミケル・ムル氏は、「完全な球体」という考えに異議を唱えた。同研究者は、ジョンズ・ホプキンス大学のジョセフ・シルク氏を含むチームとともに、私たちの銀河の長い合体の歴史を初めて考慮に入れて、天の川に似た銀河の複雑な進化の歴史をシミュレーションした。なぜなら、天の川銀河は真空の中で形成されたのではなく、その最初の10億年間に、より小さな銀河、さらには暗黒物質でできた系全体や雲を「飲み込んだ」からです。

このようにして、これらの銀河合体をシミュレーションに含めることで、研究者らは、天の川銀河の暗黒物質のハローが完全な球形ではなく、わずかに平らになっているか変形していることを発見しました。そして、結果として得られた暗黒物質マップを投影すると、その粒子の消滅によって生成されるガンマ線の輝きは、正確には「球形」ではなく、むしろ「正方形」の形状をしていました。

これは、形態学的に、これまで球形と考えられていた暗黒物質が輝きの形状によって排除されなくなったことを初めて意味する。言い換えれば、2 つの仮説 (パルサーと暗黒物質) は現在では同等にもっともらしいということです。

ジョセフ・シルクが説明するように、「暗黒物質は宇宙を支配し、銀河を結び付けています。これは非常に重要であり、私たちはそれをどのように検出できるかについて、ほとんど必死になって考えていることにすべての時間を費やしています。「ガンマ線、特に私たちが銀河の中心で観測している余分な光が、私たちの最初の手がかりになる可能性があります。」

将来の「チェレンコフ望遠鏡アレイ」（CTA）のおかげで、このとらえどころのない物質の安全な検出にすぐにつながる可能性のある手掛かり。2026年に運用開始予定の巨大なガンマ線望遠鏡は、現在利用可能なものよりもはるかに高い分解能とエネルギー測定能力を備え、天体物理学者はパルサーの高エネルギー信号と、待ち受けている低エネルギー信号を区別できるようになる。 ダークマターの消滅。

暗黒物質の「色」

『Physics Letters B』に掲載された2番目の研究は、暗黒物質が光にさらに直接的な「痕跡」を残し、非常に微妙な方法ではあるが可視化する可能性があることを示唆している。ヨーク大学の著者らは、この支配的な信念に異議を唱え、暗黒物質は光と直接相互作用しないが、一種の「6回の握手の法則」を通じて間接的に相互作用する可能性があると提案している。これによれば、世界中の誰もが6歩以内の知人の連鎖を通じて他の人とつながることができるという。同様に、暗黒物質の粒子は、光を運ぶ粒子であるフォトンに関連していると考えられます。

それを仲介者のチェーンと考えることができます。光子は暗黒物質を直接「知っている」わけではありません。しかし、暗黒物質が WIMP でできていることが確認されれば、それらの WIMP は、非常に弱いとはいえ、ヒッグス粒子や「トップ」クォーク (クォークの 6 つの「フレーバー」の 1 つ) などの粒子と相互作用する可能性があります。そして、これらの粒子は光子と相互作用します。

それは口から口へ伝わる「噂」のようなものでしょう。暗黒物質はヒッグスに、ヒッグスはトップクォークに、そしてトップクォークは光子に何かを「伝える」のです。間接的な交換は、たとえ弱いものであっても、暗黒物質が密集した領域を通過するときに、小さな、非常に小さな光の分散に変換されます。

研究によると、この結果は、暗黒物質を通過する光がわずかな「色合い」または「着色」を帯びる可能性があることを示唆しています。暗黒物質の性質が純粋に重力によるものであるか、たまたま軽い場合 (たとえば、アクシオンでできている場合) は青になります。

この論文の共著者であるミハイル・バシュカノフ氏は、「これは科学の世界ではかなり珍しい質問だ。なぜなら、ほとんどの研究者は暗黒物質が暗いということに同意するだろうが、我々は、想像できる限り最も暗い暗黒物質であっても、何らかの色の特徴を持っている可能性があることを示したからだ」と述べた。

もちろん、この相互作用の価値は微々たるものであり、現在の機器では到達できませんが、次世代の非常に高感度な望遠鏡を使えば検出できる可能性があります。

どちらの研究も、アプローチは大きく異なりますが（一方はすでに観測されているガンマ線源を分析し、もう一方は新しい形の相互作用を提案しています）、結局のところ、暗黒物質はその存在のかすかな発光痕跡を残す可能性があるという強力なアイデアに収束しています。そしてその痕跡を検出することができます。

シルク氏の言葉を借りれば、「新しいデータを見たときに、一方の理論を他方の理論よりも裏付けることができる可能性がある。あるいは、何も見つからないかもしれない。その場合、解決すべきさらに大きな謎が残ることになる。」