[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、最も不可解で理解しがたい力でもある。宇宙を俯瞰してみると、重力は我々が知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速く回転している。銀河団の銀河も同様だ。もしそれほどの速度で回転していれば、星や銀河はとうの昔に四散しているはずだが、宇宙の構造は安定的に維持されている。まるで宇宙が、目に見えるよりも重い物質、強い重力によってまとまっているかのように見える。
アリストテレスから始まり、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。歴史上の偉大な物理学者、哲学者は皆、重力の謎に挑んできた。しかし、我々は未だに重力を100％完璧に理解してはいない。
まさにここで、現代宇宙論最大の論争が繰り広げられる。長年、天文学者たちは「目に見えるよりも重い宇宙」を説明するためにダークマター（暗黒物質）を考案してきた。ダークマターは重力には寄与するが、光を一切放出しない。単に暗いだけでなく、光を発することも吸収することもない。光と何ら相互作用しないため、一般的な望遠鏡では観測できない。ただ、ダークマターがもたらす重力的な効果から、その存在がぼんやりと感じられるだけだ。ダークマターは銀河や銀河団を繋ぎ止める見えない手、あるいは骨組みのように機能している。
しかし、ダークマターの正体はいまだ特定されていない。そこで代替仮説が登場した。それがニュートン力学修正理論（MOND）である。MONDを支持する物理学者たちは、最初から見えない物質などを仮定する必要はないと主張する。その代わりに、より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説くものとは全く異なる形で作用する可能性があると説明する。
MONDが長年魅力的な代替案とみなされてきた理由は明確だ。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、目に見える物質（バリオン）のみを考慮すると回転速度が速すぎる。MONDはダークマターを追加する代わりに、重力のスケールが非常に弱い銀河外縁部では、重力の法則が異なって機能すると説く。
重力は距離が遠ざかるにつれて、その距離の二乗に反比例して弱まる。2倍遠ざかれば4倍弱まり、3倍遠ざかれば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以外の値である可能性を提示する。例えば2ではなく1だったらどうだろうか？ 重力は距離が離れるにつれて、よりゆっくりと弱まることになる。そうすれば、非常に遠く離れた物体であっても、期待よりも強い重力で繋ぎ止められるはずだ。MONDがダークマターなしで、高速で移動する星や銀河の動き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で、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、すなわち宇宙全体に対して重力の作用の仕方を検証しなければならない。最良の手段がある。宇宙最古の光、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。
近年、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、数年にわたって全天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の可能性を緻密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のようなものだったのか？
宇宙マイクロ波背景放射は、宇宙の果てという非常に遠方から届いた光だ。光が届くまでの間、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数多く存在する。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衝突して散乱するという効果を受ける。
この際、銀河団が我々に対してどの方向に移動しているかによって、散乱の様相が変化する。もし銀河団が宇宙マイクロ波背景放射を基準として我々に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移動することになる。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ごく微細なドップラー効果が混ざる。結果として、我々に近づいてい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ようになる。この現象を「キネマティック・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なため、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。しかし、数十万個を超える宇宙全体の銀河・銀河団を集めて統計的に分析すれば、銀河団が我々に対して平均的にどのように移動しているのかを把握できる。宇宙にある二つの銀河団を想定してみよう。これらは完全にランダムに動いているわけではない。互いの重力で引き合っている。近づこうとする傾向があるのだ。その速度には、二つの銀河団がやり取りする重力がどのように機能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によって完成した最新の宇宙マイクロ波背景放射マップのデータを基盤に、数年にわたって蓄積された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の間である。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ためだ。したがって、時間経過による宇宙大規模構造自体の変化効果を排除し、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30〜230Mpc（メガパーセク）程度だ。直径10万光年の我々の銀河系がわずか0.03Mpcに過ぎないことを考えれば、今回の研究は単一銀河内の重力を確認したのではなく、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といえる。では、大規模な調査を通じて確認した、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法則、そしてアインシュタインの相対性理論に基づいた今日のΛCDM宇宙論ではn=2になるべきである。一方、最も単純なモデルのMONDを仮定すればn=1になる必要がある。
しかし、実際の観測結果は2に近い値が出た。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、外部場効果（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及ぼしうる。しかし、今回の研究ではEFEまでを体系的に分析することはできなかった。
だが、数十〜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事実は明白だ。したがって、どれほど外部場効果を考慮したとしても、今回の結果を強く反論することは困難であるように思われる。
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