[비즈한국] 重力はどこにでもある。最も馴染み深い力だ。しかし同時に、最も謎めいており、理解しがたい力でもある。宇宙を大きく捉えたとき、重力は私たちが知っている物質だけでは説明がつかない。銀河の縁にある星々は、予想よりもはるかに速く回転している。銀河団内の銀河も同様だ。もしあれほどの猛スピードで回転しているのなら、星や銀河はとうの昔に四方八方に散らばっていたはずだが、宇宙の構造は安定して維持されている。まるで宇宙が見た目よりも重い物質で、強い重力によって結びついているかのように見える。
アリストテレスに始まり、ガリレイ、ニュートン、そしてアインシュタインに至るまで。歴史に名を残す偉大な物理学者や哲学者たちは皆、重力の秘密に挑んできた。そして今もなお、私たちは重力を100%完璧には理解できていない。
まさにこの点こそが、現代宇宙論における最大の論争の舞台となっている。長い間、天文学者たちは「見た目より重い宇宙」を説明するために「暗黒物質（ダークマター）」という概念を考案した。暗黒物質は重力には寄与するが、いかなる光も放たない。単に暗いだけでなく、光を反射も吸収もしない。光といかなる相互作用もしないため、一般的な望遠鏡では見ることはできない。ただ、暗黒物質がもたらす重力的な効果から、その存在をかすかに感じ取るだけである。暗黒物質は、銀河や銀河団をつなぎ止める目に見えない手、あるいは骨組みのように機能している。
しかし、それでも暗黒物質が具体的に何なのかは解明されていない。その結果、代替仮説が登場した。それが「ニュートン力学修正理論（MOND）」だ。MONDを主張する物理学者たちは、そもそも見えない物質などを仮定する必要はないと説く。その代わりに、さらに劇的な仮定を試みる。重力の法則そのものを修正すればよいというのだ。特に、重力加速度が極めて弱い場所、距離が非常に大きなスケールでは、重力がニュートンやアインシュタインの語ったものとは全く異なる方法で作用する可能性があると説明する。
MONDが長い間、魅力的な代替案と見なされてきた理由は明白だ。特に銀河の回転曲線において驚くべき成果を見せたからだ。渦巻銀河の外縁部の星々は、観測される物質（バリオン）だけを考慮するとあまりにも速く回転している。MONDは暗黒物質を加える代わりに、このように重力のスケールが非常に弱い銀河外縁部において、重力の法則が異なって作用すると説く。
重力は、距離が遠ざかるほどその2乗に反比例して弱くなる。距離が2倍になれば4倍弱まり、3倍になれば9倍弱まる。距離をrとすると、重力の強さは概ね1/r²に比例して減少する。ここで距離の指数である「2」が重要だ。MONDは、この数値が2ではない別の値である可能性があると主張する。例えば2ではなく1だったらどうだろうか？ 重力は距離が遠ざかるにつれて、よりゆっくりと弱まっていく。そうなれば、非常に遠く離れた物体であっても、期待以上の強い重力でつなぎ止められるようになる。MONDが暗黒物質なしで、高速で動く星や銀河の運動を説明する手法はまさにこれだ。
本当にそうだろうか？ 数千万、数億光年に及ぶ巨大なスケールにおいて、重力は1/r²よりも緩やかに弱まるのだろうか？ この答えを見つけるためには、たかだか銀河一つを観察するだけでは不十分だ。銀河の回転曲線よりも巨大なスケールで、事実上宇宙全体に対して重力の作用様式を検証しなければならない。そのための最適なツールがある。宇宙で最も古い光であり、最も遠くから届いた光である「宇宙マイクロ波背景放射（CMB）」だ。
最近、天文学者たちはチリのアタカマ砂漠にある宇宙論望遠鏡「ACT」を活用し、数年かけて宇宙全域の宇宙マイクロ波背景放射マップを完成させた。そして、その多様な分析結果を発表した。その中には、宇宙全体に対してMONDの可能性を詳細に分析した驚くべき結果も含まれている。果たしてその結論はどうだったのか？
宇宙マイクロ波背景放射は、はるか遠く、宇宙の果てから飛んできた光である。光が飛んでくる過程で、様々な銀河団を通過する。銀河団の中には、高温で高速移動する電子も多数存在する。宇宙マイクロ波背景放射の光子（フォトン）は、銀河団内の自由電子とぶつかり、散乱されるという影響を受ける。
この際、銀河団が私たちに対してどの方向に動いているかによって、散乱の様相が変わる。もし銀河団が宇宙マイクロ波背景放射を基準としてこちらに向かって近づいていたり、遠ざかっていたりすれば、その中の電子も一緒に動くことになる。すると、電子によって散乱された宇宙マイクロ波背景放射の光子には、銀河団の動きが反映された微細なドップラー効果が混入する。その結果、こちらに近づいてくる銀河団を通過した光はわずかに熱く見え、遠ざかる銀河団を通過した光は冷たく見えることになる。このような現象を「運動学的スニヤエフ・ゼルドビッチ効果（Kinematic SZ effect）」と呼ぶ。
もちろん、この信号は非常に微弱であるため、銀河団一つだけでは事実上背景ノイズに埋もれてしまうレベルだ。しかし、数十万個を超える宇宙全域の銀河や銀河団を集めて統計的に分析すれば、銀河団が私たちに向かって平均的にどのように動いているかを知ることができる。宇宙にある二つの銀河団を考えてみよう。これらは完全にランダムに動いているわけではない。二つの銀河団は互いの重力で引き合っている。互いに近づこうとする傾向があるのだ。その速度には、二つの銀河団が及ぼし合う重力がどのように作用しているかという手がかりが含まれている。
天文学者たちは、ACTを通じて完成させた最新の宇宙マイクロ波背景放射のデータと、長年蓄積されたSDSS（スローン・デジタル・スカイ・サーベイ）の膨大な銀河地図データを組み合わせた。今回使用した銀河の赤方偏移は0.44から0.66の間にある。この範囲は重要だ。この区間では銀河の空間的分布が大きく変化しないからである。したがって、時間経過に伴う宇宙の大規模構造自体の変化という効果を排除し、単純に距離に応じて重力がどれほど緩やかに、あるいは急激に弱まるのかだけを純粋に分析することができる。
今回の分析に使用した二つの銀河団の平均距離は約30〜230Mpc（メガパーセク）である。直径10万光年である我々の銀河の直径がわずか0.03Mpcであることを考えれば、今回の研究は銀河内部の重力を調べたのではなく、銀河一つを優に超える宇宙論的範囲で重力をテストしたものといえる。では、大規模な探索によって確認された、距離に応じて重力が弱まる指数の値はいくらだったのか？ 結果は2.1±0.3程度だった。一般的な標準ニュートン力学、そしてアインシュタインの相対性理論に基づく今日のΛCDM（ラムダ・コールド・ダークマター）宇宙論ではn=2になるはずである。一方で、最も単純なMONDモデルを仮定するとn=1になるはずだ。
しかし、実際の観測結果は2に近い値を示した。明らかに1ではない。MONDは宇宙全体のスケールでは全く機能していないように見える。もちろん、今回の発見だけでMONDを信じる物理学者たちが未練を完全に捨てることはないだろう。MONDには、周囲の銀河や銀河団の重力による影響、あるいは外部磁場効果（External Field Effect, EFE）のような複雑な要素が多く存在する。ある天体がそれ自体としては弱い重力場に置かれていても、外部のより大きな重力場が背景にあれば、その天体の動きに影響を与える可能性があるからだ。しかし、今回の研究ではEFEまでは体系的に分析しきれなかった。
とはいえ、数十から数百Mpcに及ぶ宇宙論的スケールで重力をテストしたという点は明らかだ。したがって、いかに外部場効果を考慮したとしても、今回の結果に強く反論することは難しそうだ。
参考
https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/062