[비즈한국] 私たちの銀河は巨大なダークマター（暗黒物質）のハローに包まれている。通常、このハローを想像する際、銀河の中心から外側に向かって密度が徐々に薄くなる、一つの巨大で丸い雲のような姿を思い浮かべる。太陽系を包むオールトの雲のように。そして、その巨大なハローが一度に丸ごと形成されたと考えがちだが、実際はそうではない。
宇宙の進化を再現するシミュレーションは、ダークマターのハローが形成される過程を詳細に示している。一度に大きなハローが作られるわけではない。元々ははるかに小さな「小ハロー」が存在した。それらが宇宙の巨大構造が作られる過程で一つ二つと集まり、練り合わさることで、現在の巨大なハローを形成するのだ。このような小さな小ハローを「サブハロー」と呼ぶ。一つの巨大なハローに比べると、質量ははるかに小さい。
当然、太陽系周辺の銀河空間内にも大小のダークマターのサブハローの痕跡が残っているはずだと考えられていたが、最近その実体と思われる状況が捉えられた。太陽系からそれほど遠くない2300光年先で、ダークマターの塊であるサブハローの兆候が捕捉されたのである。
ダークマターのハローは、単なる平べったい練り物のような塊ではない。ダークマターのサブハローは、その中にあちこちに散りばめられた小さなチョコチップのようなものだ。今回の観測は、まさにこのチョコチップの存在を確認する試みだった。今さら言うまでもないことだが、ダークマターは光では見えない。重力によってのみ、その存在を示す。サブハローが周囲の宇宙時空に重力的な変化をもたらすと、それを感知して痕跡を推論しなければならない。そのため、時空の微々たる変化にも敏感に反応する感知装置が必要となる。
その代表的な役割を担うのがパルサーだ。パルサーは進化を終えて崩壊した中性子星であり、特に非常に強い磁場を纏い、高速で自転する星を指す。星自身の自転軸と磁場軸がわずかに傾いているため、磁場軸に沿って伸びる中性子星のエネルギービームが一定の周期で点滅する様子が観測される。一定のリズムで点滅する宇宙の灯台だ。そのため、パルサーは宇宙時空の変化を微細なレベルまで感知する、正確な宇宙時計やブイとしての役割を果たす。
特に今回の分析では、パルサーが一つではなく、ペアを組んでいる「パルサー連星」を活用した。単独のパルサーでは、周期の変化が捉えられたとしても、それが星自身の変化によるものか、あるいは星周辺の時空や外部要因によるものかを見分けるのが難しい。しかし、パルサー連星において二つのパルサーの両方に同一の周期変化が見られるならば、それは連星の外側の要因によるものだと確信できる。偶然二つのパルサー内部で全く同じレベルの周期変化が同時に起こる可能性は極めて低いためだ。今回の分析では27組のパルサー連星が利用された。
ただし、パルサー自体が非常に敏感で精密な宇宙時計であるため、周囲のダークマターサブハローによる効果を純粋に抽出するには、細かな事前作業が必要となる。サブハロー以外の外部要因による効果を最大限取り除く必要があるからだ。まず、二つの重いパルサーが互いに接近して回り合うことで周囲の宇宙空間に広がる「重力波」の影響を考慮しなければならない。水中をペアで泳ぐ二匹の魚が周囲に波紋を広げるように、パルサー連星も重力波を放出してエネルギーを失い、周期に変化が生じることがある。
また、パルサー連星のペアが空間全体を横切って移動する際に生じる効果もある。当然、他の普通の星と同様に、連星パルサーも宇宙空間を漂う。いわゆる「固有運動」をする。ところが、一定のリズムで信号を送りながら移動しているため、ドップラー効果のように、私たちが観測するパルサー周期に微細な変化が生じる可能性がある。これをシュクロフスキー効果と呼ぶ。これらの効果をすべて除外してもなお説明がつかない周期変化が検知されるのであれば、それは目に見えない何者かが周囲の時空に影響を与えていることを意味する。
驚くべきことに、ある一組のパルサー連星で明確な変化が検知された。ペアを組んでいる二つのパルサー「J1640+2224」と「J1713+0747」に見られる周期の変化が非常によく似ているのだ。いずれもほぼ類似したパターンの偏差を見せている。これは、二つのパルサーを囲む周囲の時空に同一の外部要因が作用していることを意味する。二つのパルサーに共通して見られる偏差に基づいて計算した結果、太陽から約2300光年離れた場所に、太陽質量の約2400万倍の質量を持つ巨大なダークマターのサブハローが存在すると推定された。この質量は、少なくとも銀河中心にある「いて座A*」ブラックホールよりも6倍も重いことになる！
もちろん、重い質量の塊があるからといって、必ずしもそこにダークマターがあるとは断定できない。単に明るく輝く星々が異常に高い密度で集まっている可能性もあるからだ。しかし、実際に今回ダークマターのサブハローが存在すると推定された空の領域を探しても、これといった明るい光は見当たらない。
銀河内外の星々の3D地図を作成したガイア宇宙望遠鏡の観測結果を見ると、この領域に集まっている星々だけでは、今回推定されたダークマターサブハローの全質量を到底満たせない。ここには何も見えない。しかし、明らかに非常に重い質量の塊が存在しなければならない。星だけでなくガス雲まで考慮してみたが、それでも不足している。この領域で観測された明るく輝く一般物質（バリオン）の平均密度は、pc^2（平方パーセク）あたり0.084太陽質量しかない。一方、ダークマターの密度はpc^2あたり10太陽質量に達する。バリオンに比べてダークマターの密度がはるかに高く、ほぼダークマターだけで構成された重い塊が存在するという意味である。
巨大ブラックホールが隠れているのではないかとも考えられるが、その可能性は極めて低い。銀河中心の超大質量ブラックホールより6倍も重いブラックホールが、銀河の中心から完全に外れた場所に浮遊しているとは考えにくいからだ。また、それほど重いブラックホールであれば、銀河空間を突き進みながら多くの星やガスを飲み込み、鮮明なブラックホールジェットの痕跡が見られたはずだが、そのような兆候も全くない。特別な強い重力レンズも観測されないことから、太陽質量の2400万倍もの質量が一点に集中したブラックホールがあるとするより、広い領域にダークマターが高密度で広がっているサブハローが存在すると考えるのが妥当である。
今回の発見が正しければ、銀河空間内、それも太陽からわずか2300光年という非常に近い距離で、初めてダークマターのサブハローの存在を直接確認したことになる。超高解像度スーパーコンピュータのシミュレーションでしか見られなかったダークマターの小さな塊、銀河ハローを漂う一つの「チョコチップの塊」を実際に発見したことになるのだ。
今回の発見は、光を放つことも目に見えることもないが、確実に重力を行使して存在しているダークマターの存在を示すもう一つの証拠だ。銀河を大きく丸く包み込む巨大ハローのレベルにとどまらず、その中で細かく銀河空間を漂う、より小さなダークマターの断片の雲を確認したのである。
今回は一組のパルサー連星だけで有意な偏差が目撃されたが、今後より多くの探査を行えば、私たちの周辺にどれほど多くの大小様々なダークマターの断片が浮遊しているのか、銀河を囲むダークマターハローの地図をはるかに詳細に描き出せるようになるだろう。私たちは、単に平べったく広がった曖昧なハローではなく、大小のダークマターサブハローが粒状に結ばれた、まるでブドウのような姿のハロー地図を新たに描き出していくことになるだろう。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250716932C/abstract
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、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。著書に『毎日、宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などがあり、『宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイドブック』、『私はどうやって冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などの翻訳も手がけている。