[비즈한국] 1994年7月、木星を観測していた天文学者たちは驚くべき光景を目撃した。1992年に木星へ接近した際、強力な重力によって21個に分裂したシューメーカー・レヴィ第9彗星の破片が、木星表面に向かって突入したのだ。木星の雲の表面には暗いアザのような跡が残り、彗星の破片が落下する際に生じた明るい衝撃波が木星表面に広がる様子までもが捉えられた。太陽光に照らされる昼の部分と、太陽を背にした夜の部分の境界に彗星が衝突したため、その衝撃波の様子をより鮮明に観察することができた。
ところが、太陽を背にした木星の夜の側で見られるのは、単に彗星落下時の衝撃波の痕跡だけではないかもしれない。近年、天文学者たちは太陽を背にした木星の夜の領域から、現代宇宙論における長年の謎である「暗黒物質（ダークマター）」の痕跡を探し出せる可能性について議論している！
木星をはじめとする太陽系外縁の巨大ガス惑星は、大量の水素を蓄えている。水素は宇宙全体の質量の75%を占める最もありふれた成分だ。星間空間で見られる水素は、通常、水素原子2つが結合した水素分子（H2）の形態をしている。これは非常に温度の低い星間宇宙でも十分に安定して存在できる形態である。
しかし、周囲にジェットを放出するブラックホールや強烈な紫外線を放つ明るい星のような、四方に強力なエネルギーを放出する天体がある場合、少し異なる形態の水素が存在しうる。それが水素原子3つからなる「水素分子イオン（H3+）」である。通常、水素原子は中心に陽子1つ、周囲に電子1つで構成され、安定した水素分子はこれらが2つ集まって陽子2つ、電子2つで成り立っている。
ところが、周囲の天体から強力な光やエネルギーを受けると、水素分子から電子が1つ離れ、水素分子イオン（H2+）が作られることがある。これが周囲の水素原子と再結合することで、最終的に水素原子3つに対して電子が1つだけ離れた三角形の「水素分子イオン（H3+）」が生成される。この特異な水素イオンは、1911年に物理学者J.J.トムソンがプラズマ実験中に偶然発見したことでその存在が知られている。
木星にもH3+は存在する。太陽が放出する高エネルギーの太陽風粒子が木星の雲の表面に降り注ぐことで作られるからだ。特に太陽を直接向いている昼の側では、H3+を容易に検出できる。また、木星は強力な磁場を形成しており、磁場の流れに沿って高エネルギー粒子が南北両極に集中するため、地球と同じように極地方を中心に明るいオーロラが形成され、その周囲でより多くのH3+が生成される。一方で、太陽を背にした暗い夜の側には、雲の中の水素を刺激する強力なエネルギー源がないため、H3+はほとんど存在しないと予想される。
しかし、必ずしもそうとは言い切れない！ 木星の雲の中の水素を刺激するエネルギー源は、必ずしも太陽からの太陽風や宇宙線粒子である必要はないからだ。例えば、暗黒物質を構成する未知の粒子であればどうだろうか？
元々、暗黒物質は銀河の中の星々の過度に速い動きを説明するために導入された概念だ。光を吸収も放出もせず、光といかなる相互作用もせず、ただ質量のみを持つ未知の物質と推定されている。そのため、宇宙の姿を説明するのに不足している重力を補う役割を担っている。暗黒物質の正体はまだ明らかになっておらず、そもそも他の基本粒子のように小さな粒子で構成されているのかさえ定かではない。
もし暗黒物質が何らかの粒子からなる存在であれば、わずかな希望が持てる。暗黒物質粒子にもそれに対応する反物質、反粒子が存在する可能性があるからだ。暗黒物質粒子と反粒子が衝突すれば、両粒子の全質量がそのままエネルギーに変換されて消滅する「対消滅」プロセスが可能である。暗黒物質粒子自体は光を放出できなくても、その対消滅は周囲の宇宙空間に十分に強いエネルギーを残しうる。実際に一部の天文学者たちは、この対消滅から放出されるかもしれない高エネルギーのガンマ線やX線の痕跡を探そうとしてきた。もちろん、これまでの観測で明確な証拠は見つかっていない。
暗黒物質は通常、銀河や銀河団規模での星や銀河の動きを説明するために登場するため、銀河空間のみに存在すると考えられがちだ。しかし、必ずしもそうではない。太陽系もまた銀河の一部である。銀河の中に暗黒物質が至る所に広がっているならば、当然その一部である太陽系空間にも暗黒物質が浸透しているはずだ。そして、太陽系の至る所で暗黒物質同士の対消滅が起こり、強力なエネルギーの痕跡を残す可能性がある。
今回の研究で物理学者たちは、木星のような巨大ガス惑星の大気圏で暗黒物質の対消滅が起こる可能性に着目した。そうなれば、対消滅で放出されたエネルギーが木星の雲の中の水素原子を刺激し、前述のプロセスを経て非常に不安定なH3+が形成されることになる。木星の雲の中から、予想を上回る量のH3+が検出されれば、それは木星内部で暗黒物質粒子の対消滅が起きていることを示す間接的な証拠になり得るのだ。
もちろん、先に説明したように、木星でH3+を作る方法は一つではない。太陽風による電離や、磁場によるオーロラ発生時にも形成される。したがって、このような一般的な方法で作られるH3+と、純粋に暗黒物質の対消滅から放出されたエネルギーで作られたH3+を区別する必要がある。
そのため、今回の研究は太陽光が当たらない「夜の側」、特に極地方から遠く離れた赤道近くの低緯度の夜の領域に注目する。もし太陽を背にした真っ暗な木星の夜の側の雲の中でも、高いレベルのH3+が検出されるならば、それは明らかに太陽光ではない未知のエネルギー源によって水素原子が電離していることを意味する！
本当に木星の夜の側にもH3+が存在するのだろうか？ 実はこの観測は、かなり以前に試みられたことがある。土星に向かっていた探査機カッシーニは、2000年12月に木星に接近し、フライバイ（スイングバイ）を行った。この時、カッシーニは木星の夜の側を急速に通過した。この過程で、カッシーニに搭載されたセンサーが雲の中のH3+の存在を確認した。
幸い、H3+は日常的に観測できる3〜5マイクロメートルの赤外線スペクトル領域に痕跡を残すため、その存在の有無と量を把握することはそれほど難しくない。しかし残念ながら、当時のカッシーニ探査機は夜の側で何ら痕跡を発見できなかった。つまり、カッシーニの観測結果によれば、木星の夜の側ではH3+は検出されなかったということだ！
では、今回の研究が提案する「木星を巨大な暗黒物質検出器にする」というアイデアは失敗に終わるのか？ そもそも、20年以上も前のカッシーニ探査でH3+が検出されないと確認されているのに、なぜ今さらこのような提案をしたのだろうか？
興味深いことに、カッシーニ探査当時にH3+が検出されなかったという事実こそが、まだ未知である暗黒物質粒子の特性をより明確に特定するヒントになる可能性がある！
カッシーニが何も検出できなかったのは、H3+が全く存在しないからではなく、量が少なすぎたからかもしれない。木星の雲の中のH3+が放出する光の強さが微弱で、カッシーニの観測機器の検出限界を下回っていた可能性がある。私たちはカッシーニの機器がどの程度の強度の信号まで検出できたか、その観測限界を知っている。したがって、この限界を逆利用すれば、当時の木星の雲の中のH3+信号がどの水準以下であったかを限定できる。つまり、木星内部で対消滅しているかもしれない暗黒物質粒子が作り出しているエネルギーの最大許容量、すなわちエネルギー水準の範囲が特定されるということだ！
暗黒物質粒子が衝突して消滅する際に、木星でどれだけのエネルギーを残せるかは、主に2つの要因で決まる。第一に、それぞれの暗黒物質粒子の質量だ。アインシュタインの式「E=mc^2」が示す通り、対消滅の瞬間に消える2つの粒子の質量はそのままエネルギーに変換される。したがって、推定されるエネルギー範囲から粒子の質量範囲を導き出せる。
第二の要因は、暗黒物質粒子同士がどれだけ頻繁に衝突するかだ。粒子同士の移動経路が重なる確率は「断面積」で決まる。断面積が広ければ衝突可能性は高まり、小さければ衝突しにくくなる。結局、木星内部で放出される総エネルギー量は、暗黒物質粒子の質量と断面積の2つを関数とした値になる。
カッシーニの観測でH3+が検出されなかったため、木星内部の暗黒物質粒子が作り出すエネルギー量は、カッシーニの観測限界以下であると仮定できる。この限界を超えない範囲で、仮定上の暗黒物質粒子の質量と断面積を多様に変えながら、物理量がどの範囲に収まるかを提案できるのだ！
これは驚くべき進展だ。暗黒物質の候補粒子をどこで探せばよいか、適切な範囲を限定できるからだ。やみくもに全範囲を探すのではなく、ある特定の範囲内のみを探せばよい。これは実際の実験室で数十年にわたって暗黒物質の正体を探そうと努力している物理学者にとって、非常に優れたガイドとなる。
さらに今回の研究は、より興味深いガイドも提示している。暗黒物質粒子は、必ずしも我々の太陽系の惑星に浸透している必要はない。太陽系外の恒星を周回するガス型系外惑星にも浸透する可能性がある。そこで同様の対消滅が起これば、その系外惑星の夜の側でも高いH3+の存在が検出できるはずだ。暗黒物質粒子は、銀河の中でも重力が強い中心部ほど高密度で集まっていると推定される。したがって、銀河中心付近にある系外惑星を観測する方が有利だ。今回の分析では、銀河中心からそれぞれ300光年、3000光年離れた位置に木星質量10倍程度の重いガス型系外惑星がある場合、そこでのH3+信号レベルについての予測まで提示している！
この研究の主張が正しければ、私たちは木星や土星のような巨大ガス惑星を「巨大な暗黒物質検出器」として活用できる。雲の中に隠れた粒子対消滅のエネルギーの痕跡を探せばよいのだ。ただし重大な限界がある。暗黒物質による痕跡だけを抽出するには、ガス惑星の夜の側を見る必要があるが、地球からは常に太陽光を反射している昼の側しか見えない。そのため、地上の望遠鏡やハッブル、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡をもってしても、ガス惑星の背中は見られない。
結局、木星や土星を暗黒物質検出器として活用するには、新しい探査機を周囲に送り、太陽を背にした夜の側を通過させながら直接確認する必要がある。カッシーニも20年以上前の旧式の探査機だ。今や、それよりもはるかに微弱なエネルギーを検出できる高性能な検出器を積んだ新しい探査機を送り込める時代になった。
もちろん、地球から木星や土星まで到着するには数年の長い待機が必要だ。しかし天文学的な観点から見れば、数年以内に到達可能な目の前の太陽系惑星を、宇宙最大の謎である暗黒物質の正体を解き明かす巨大な実験場として使えるというのは幸運と言える。太陽系の起源や惑星進化の研究用だと思われていた太陽系の辺境にあるガス惑星が、より巨大な宇宙論の謎を解く新しい実験舞台になる日はそう遠くない。
木星極地方のオーロラ動画
https://www.youtube.com/watch?v=dplSgv6qlMk
https://esahubble.org/videos/heic1613a/
木星磁場の動画
https://svs.gsfc.nasa.gov/4142
銀河中心部で暗黒物質粒子の対消滅によって放出されたと思われるガンマ線の痕跡を探索したフェルミ宇宙望遠鏡の観測結果動画
https://svs.gsfc.nasa.gov/11513/
銀河中心ブラックホール周辺で密集し、衝突しながら旋回する暗黒物質粒子の可視化動画
https://svs.gsfc.nasa.gov/4183/
暗黒物質候補粒子（WIMP）が衝突して対消滅し、エネルギーを放出する過程を表現したアニメーション
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955/
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.261002
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021097
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。子供の頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて、銀河同士の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。