[비즈한국] 暗黒物質という概念を嫌う人は多いようだ。目に見える明るい星だけでは宇宙の重力を説明できず、結局、天文学者たちは「光とは一切相互作用しないが、明らかに質量を持ち、重力を及ぼす何かが宇宙に存在する」と結論づけるしかなかった。
暗黒物質は宇宙全体の質量の80%を占めていると推定される。現在の標準宇宙論によれば、暗黒物質なしでは宇宙の何一つとして形成できない。もし暗黒物質がなければ銀河の重力は圧倒的に弱くなり、銀河系を高速で回る星々はとっくに銀河の重力を振り切って、外の宇宙空間へと散らばっていたはずだ。銀河や銀河団、そして私たちの宇宙がこれまで破壊されずに安定した構造を維持できているのも、数十億年かけて物質が集まり現在の巨大な宇宙大規模構造が作られたのも、すべて暗黒物質がその役割を果たしてくれたからだ。
それにもかかわらず多くの人々が暗黒物質という概念を歓迎しないのは、暗黒物質が一体何なのか、何でできているのか、まだ何も解明できていないという私たちの残念な現実から来ているのだろう。中には、暗黒物質そのものが宇宙に存在せず、天文学者が暗黒物質の間接的な証拠だと考えてきたすべてのものが、単なる私たちの錯覚に過ぎないと主張する人も少なくない。天文学者として、そのような盲目的な非難を受け入れることは難しい。暗黒物質の存在は、過去半世紀近くにわたり積み重ねられてきた、複数の独立した観測データが一斉に指し示す唯一の最も合理的な結論だからだ。
天文学者が言うように暗黒物質が本当に宇宙に存在し、これほど大きな部分を占めているなら、なぜまともに捉えられたことがないのだろうか？ひょっとすると、私たちはすでに知らないうちに暗黒物質の最も確かな証拠を捉えているのかもしれない。最近、非常に興味深い分析が発表された。この研究によれば、私たちはすでに15年前に、まさに期待していた姿そのままの暗黒物質の証拠を捉えていたというのだ。ただ、私たち自身に自信がなく、あまりに慎重になりすぎたあまり、その証拠を正しく受け入れられなかっただけだという。果たして、私たちが15年前に捉えたその証拠とは一体何なのだろうか？
少しタイムマシンに乗って15年前に遡ってみよう。2008年6月、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡が軌道に乗った。この宇宙望遠鏡に搭載された広視野望遠鏡LAT（Large Area Telescope）は、数年間継続的に宇宙全域からガンマ線を感知した。ガンマ線は、ヒーロー映画で主人公に誤って照射されて突然変異を起こす要因としてよく登場する。ガンマ線はX線よりも波長が非常に短く、エネルギーが非常に強い光だからだ。ガンマ線は核爆弾が爆発する際にも放出される。
宇宙で起こる最も極端で暴力的かつ瞬間的な事象からガンマ線は放出される。例えば、寿命が尽きた重い星が超新星として爆発する瞬間、ガンマ線が放出される。超新星爆発の瞬間、非常に高速で放出された残骸が周囲の星間物質と衝突する際にもガンマ線が観測される。あるいは、死後に残った中性子星が非常に高速で自転しながら強力な磁場を形成したパルサーからも感知される。銀河中心に住む超大質量ブラックホールが貪欲に物質を飲み込む現場、特に初期宇宙にのみ存在したクエーサーのような極端な現象からも、非常に強力なガンマ線が捉えられる。
フェルミ望遠鏡のLATは、一度に空全体の約20%に達する広い範囲を見渡すことができる。おかげで、宇宙全域で休むことなく起こる様々な極端な現象を瞬時に捉えることができた。ところが、2009年にフェルミ望遠鏡で観測された銀河中心部付近のガンマ線地図が公開され、新たな議論が始まった。
フェルミ望遠鏡は、銀河中心部からとりわけ明るいガンマ線の閃光が集中して漏れ出ていることを発見した。銀河中心は星やガス物質の密度が非常に高い。それだけ進化の早い重い星も密集しており、超新星爆発や星の死も頻繁に起こっている。太陽質量の400万倍に達する超大質量ブラックホールも、銀河中心部の強烈なガンマ線を補完しているだろう。すでに天文学者たちは、銀河中心にどれほどの密度で超新星やパルサーが存在するのか、また中心のブラックホールがどれほど激しくエネルギーを吐き出しているのかを把握している。
問題は、このように私たちがよく知っている、ガンマ線を出すと思われる現象をすべて計算に含めても、実際にフェルミ望遠鏡が捉えた強烈なガンマ線の強度をすべて説明しきれないという点だ。把握しているすべてのガンマ線の源を反映した計算結果と比較すると、銀河系はその2倍近いレベルの非常に強烈なガンマ線を放出している。明らかに銀河中心には、私たちがまだ知らない、ガンマ線を放出する別の何かが潜んでいることを暗示している。フェルミ望遠鏡の観測によって明らかになったこの銀河中心のミステリーを「銀河中心GeVガンマ線超過（GeV Excess）」と呼ぶ。そして、一体何が原因で銀河中心から予想以上に強いガンマ線が漏れ出ているのか、まだ解明できていない。
ところが、銀河中心のガンマ線超過が知られるようになると、一部の天文学者の間で興味深い仮説が提起され始めた。これがまさに暗黒物質のせいだというものだ。暗黒物質は基本的に光とどのような方法でも相互作用しない。光らないだけでなく、光を吸収することもない。そのため、一般的な画像観測やスペクトル観測ではどのような痕跡も見つけることができない。
しかし、このような仮定を立てることができる。とにかく暗黒物質も未知の基本粒子で構成された物質であるならば、それらにも電子と陽電子のように互いに対応する反粒子が存在するはずだ。粒子と反粒子は衝突して互いの全質量がそのままエネルギーに変換されるが、この時非常に莫大なエネルギーを放出する。原子核の質量のほんの一部がエネルギーに変換される核融合だけで、太陽のような巨大な星が数十億年間輝き続けていることを考えれば、粒子の質量の一部ではなく、2つの粒子の全質量が丸ごとエネルギーに変換される対消滅であれば、どれほど莫大なエネルギーが放出されるだろうか！同様に、暗黒物質を構成する基本粒子も互いに対応する反粒子と衝突して対消滅を起こせば、一瞬にして莫大なエネルギーを放出できるはずだ。
ここで混同してはならないのは、暗黒物質は別途存在する他の光とは相互作用しないが、暗黒物質同士が衝突して消滅する対消滅の過程では莫大なエネルギーを放出し、そのエネルギーがGeVレベルの強いガンマ線として捉えられる可能性があるということだ。
実際に古典的な暗黒物質モデルに基づく銀河中心の密度分布を考えると、非常に理にかなった推測だ。暗黒物質は温度や熱、圧力の妨げを受けない。ただ重力にのみ惹かれて集まる。天文学ではこのような暗黒物質を「冷たい暗黒物質（Cold Dark Matter）」と呼び、現在まで私たちの宇宙を最もよく説明するモデルである。このモデルによれば、重力によって暗黒物質が集まり銀河ハローが形成される過程で、特に銀河中心へ行くほど非常に急激に密度が高くなる。このような密度分布を「ナバロ＝フランク＝ホワイト（NFW）プロファイル」と呼ぶ。銀河系もこうした過程で形成されたはずだ。したがって、銀河中心には目には見えないが、非常に高密度で暗黒物質粒子が密集していると考えることができる。
密度が高くなるほど、暗黒物質同士が衝突する確率も高まる。それだけ暗黒物質の粒子と反粒子が衝突して消滅する対消滅も頻繁に起こるだろう。結局、銀河中心から超過したガンマ線の源は、高密度で集まった暗黒物質同士の対消滅によるものである可能性がある。興味深いことに、フェルミ望遠鏡が捉えた当時のガンマ線超過の分布を見ると、銀河の真ん中を中心に両側に非常に左右対称に分布している。これは銀河中心に球状に高密度で暗黒物質の塊が大量に集まっているという予測とよく合致する。では、暗黒物質の存在は明白に解明されたのだろうか？必ずしもそうとは言い切れない。
フェルミ望遠鏡が銀河中心部を観測する前の2007年にも、別の天文学者たちがガンマ線超過を探す方法だけでは暗黒物質の「動かぬ証拠」を見つけることはできないだろうという否定的な分析を出していた。彼らは銀河中心に超新星やブラックホールだけでなく、非常に短い周期で自転するパルサー、いわゆる「ミリ秒パルサー」も追加的なガンマ線の源になり得るという問題を提起した。
元々自転していた星が崩壊して体積が急激に小さくなると、角運動量を保存するために非常に高速で自転するパルサーができる。特に銀河中心のように星の密度が非常に高い地域では、1つの星ではなく2つがペアを組む連星が頻繁に作られる。連星をなす星のうち一方が先にパルサーになると、隣の伴星から物質を奪い取る。そうしてパルサーは自転速度がさらに速くなり、ミリ秒パルサーになることがある。
このようにして作られたミリ秒パルサーは数十億年間生き残ることができ、過去の長い歳月の間に銀河中心でこのようなことが頻繁に起きていたなら、今頃は非常に高密度で数多くのミリ秒パルサーが銀河中心に集まっている可能性がある。そしてこれらは非常に強力な電波だけでなく、ガンマ線も同時に放出する。
2007年の論文で天文学者たちは、ミリ秒パルサーから漏れ出たガンマ線を暗黒物質の痕跡と混同する可能性が非常に高いと問題を提起し、ガンマ線超過を根拠に銀河中心の暗黒物質の痕跡を探すという試み自体が無意味だと批判した。ミリ秒パルサーであれば一緒に観測されるはずの強烈な電波が観測されていない理由についても説明が可能だ。銀河中心には非常に高密度でガス雲が詰まっており、これによって電波があちこちに散乱され、観測が困難になっている可能性があるからだ。
結局、銀河中心のガンマ線超過は、暗黒物質によるものかもしれないし、ミリ秒パルサーによるものかもしれないという、どちらももっともらしい状況になってしまった。このような議論が続く中、フェルミ望遠鏡が捉えたあまりにも対称的なガンマ線超過現象は、まだその正確な源が何か、確かな結論が出ていない。
ところが最近、ガンマ線超過が暗黒物質を証明すると期待する天文学者たちにとって、非常に希望的な分析結果が発表された。今度はガンマ線ではなく赤外線観測からその手がかりが出てきた。ガンマ線で見た時は予想より2倍近く明るく見えた銀河中心部が、赤外線で見ると今度ははるかに暗く見えるのだ。明らかに銀河中心部、中心分子帯（CMZ, Central Molecular Zone）で多くの星が爆発して様々な光を放出し、そうして熱せられた塵の雲が強い赤外線を放射しているはずだ。それにもかかわらず実際に観測してみると、銀河の真ん中は非常に赤外線が弱く感知される。ガンマ線の過剰、ガンマ線の超過によって問題を引き起こしていた銀河中心部が、今度は赤外線の不足、消失という新たな問題を見せているのだ。
通常、宇宙空間や星間物質に存在する水素分子は、2つの同一の水素が結合したH₂の形で存在する。この構造は対称的であるため、分子内で振動や回転を通じて電気双極子モーメントが容易には変わらない。ところが、分子が長波長の赤外線を吸収するためには、分子内の振動または回転運動を通じて双極子モーメントが激しく変化する必要がある。水素分子だけでなく、窒素分子、酸素分子（N₂、O₂）のような対称的な二原子分子は、こうした電気双極子モーメントの変化が微々たるものだ。そのため、一般的にこれらだけでは有意な赤外線吸収を引き起こすことはできない。一方、3つ以上の原子が集まってできた多原子分子、例えば二酸化炭素や水のような分子は対称的ではない。非対称な振動と回転運動が可能であるため、はるかに効率的に赤外線を吸収できる。
銀河中心で確認される「消えた赤外線」問題を説明するためには、結局銀河中心に水素2つではなく3つが集まってできたトリ水素陽イオン（H₃⁺）型の分子が存在しなければならない。これは水素原子3つが結合して電子が1つ抜けた形で、非対称な構造であるため分子内の振動と回転が可能だ。おかげで電気双極子モーメントが容易に変化し、非常に効率的な赤外線吸収剤の役割を果たすことができる。実際にこの成分は、木星の大気で非常に強力に赤外線を吸収する主要な分子である。銀河中心の消えた赤外線をすべて説明するためには、驚くべきことに、銀河中心に予想よりほぼ100倍も多くのH₃⁺が存在しなければならないという結論が出る。研究陣はまさにここに、暗黒物質の新たな証拠が隠されていると主張する。
今回の研究は、銀河中心に密集している暗黒物質粒子が、当初期待していたよりも少し軽い、数MeV程度の質量を持つ中間質量暗黒物質粒子であろうと仮定した。この規模の暗黒物質粒子と反粒子が衝突して対消滅や崩壊を起こすと、電子と陽電子が飛び出す。こうして追加的に生成された電子と陽電子は、平凡な水素を電離させ、水素3つが結合して作られたH₃⁺を形成することができる。
まとめると、銀河中心に密集した暗黒物質が衝突し合いながら新しい電子や陽電子を作り出し、それらが再び星間物質の中の平凡な水素を電離させることで、最終的に水素3つが集まった非対称な分子を作るということだ。
こうした電子と陽電子の対消滅は、ちょうど511keVレベルのエネルギーを持つガンマ線を同時に放出する。この事実は、フェルミ宇宙望遠鏡が打ち上げられるずっと前の1970年代から解決されていない重要な現象を説明できる。以前から天文学者たちは、とりわけ銀河中心部の非常に狭い領域から511keVのエネルギーを持つガンマ線が集中して観測されるという問題を発見していた。今回の論文が提示した仮説を受け入れるなら、このミステリーが自然に説明される。暗黒物質の存在を立証するパズルピースが完璧に組み合わさり、すべての問題が一度に解決されたかのような、胸躍る気分だ。
今回提起された主張が事実であれば、私たちはすでにずっと前から暗黒物質が見せる痕跡を目の当たりにしながらも、それが暗黒物質によるものだという事実に気づいていなかったということになる。暗黒物質は宇宙で最も強烈なガンマ線という高エネルギーの光によって、自分の存在を存分に誇示していたにもかかわらずだ。光とは一切相互作用しないため写真も撮れず、検出器でも捉えられない本当に幽霊のような存在が、むしろ最も高エネルギーな光で自分の痕跡を見せていた可能性があるというのは、非常に皮肉に感じられる。
15年前、フェルミ望遠鏡を通じてガンマ線超過現象が初めて発見された時、私たちはあまりに謙虚で徹底的すぎたのではないだろうか。自分たちで「まだ暗黒物質の確かな証拠を捉えるには時期尚早だ」と性急に断念し、必死にミリ秒パルサーのような他の代替案を苦労して見つけ出し、目の前に明らかにある真実をわざわざ回り道して見ようとしなかったのかもしれない。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.101001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001742
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛している。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝える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で銀河の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など様々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。