[비즈한국] 天文学は光の科学である。望遠鏡はすべて宇宙から飛んでくる「光」を見る。それゆえに、天文学には非常に悩ましい存在がある。まさに暗黒物質（ダークマター）だ。暗黒物質はあろうことか、何の光も出さず、吸収もしない。光と一切の相互作用をしないのだ。そのため、光を見る望遠鏡にとって暗黒物質は存在しないも同然である。宇宙を説明するためには暗黒物質を仮定しなければならないが、そもそもそれを見る方法がない。少なくとも天文学者にとっては。
そのため、ここ数年の間、暗黒物質の正体を探る試みは、天文学よりも素粒子物理学の分野で多く行われてきた。地中深くに入って検出器を設置し、偶然暗黒物質の粒子が通り過ぎる際に残す痕跡を待つ。あるいは、巨大な粒子加速器で絶えず陽子を衝突させ、予期せぬエネルギーの欠損や過剰が現れるのを待つ。こうした実験が特に地中深くで行われるのは、他の宇宙線や粒子の妨害を最大限に避けるためだ。
では、いっそのこと地球の外に出るのはどうだろうか？地上の人間が作り出すノイズからも逃れることができ、宇宙の中にある暗黒物質の信号をより鮮明に捉えることができる。最近では、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を一つの暗黒物質検出器としてテストするという大胆な実験も行われた。
ところで、ちょっと待ってほしい。何かがおかしくないだろうか？ジェイムズ・ウェッブは正真正銘の望遠鏡だ。光を見る道具、いや光しか見ない道具だ。それなのに、一体どうやってジェイムズ・ウェッブを暗黒物質検出器として使えるというのか？そのアイデアは実に斬新だ。
望遠鏡はどのように写真を撮るのだろうか？宇宙の光が飛んできて検出器に当たると、電子が飛び出し電流が流れる。実は望遠鏡のカメラは、光そのものを撮るというよりは、光を受けて流れる電流を感知して画像を作るのだ。より明るい光が飛んでくれば、より強い電流が流れる。しかし、望遠鏡の検出器は完璧ではないため、きわめて現実的な理由で別のノイズが発生する。望遠鏡の検出器は、星の光だけでなく熱によっても電流が流れてしまう。だからこそ望遠鏡では常に冷却が非常に重要となる。望遠鏡自体が熱くなると、星の光ではなく熱によって意図しない電流が流れ、観測データが汚染されてしまう。
そのため望遠鏡で観測する際は、あえて望遠鏡のシャッターを閉じたまま真っ黒な写真を撮ることがある。そうすれば、外部の空から飛んでくる光の影響を遮断した状態で、望遠鏡内部の熱による独自のノイズを把握できる。その後、実際の夜空の写真を撮影し、先に把握しておいた純粋な自己ノイズを差し引けば、ノイズの汚染を最小限に抑えた、よりクリーンで純粋なデータを得ることができる。ジェイムズ・ウェッブを暗黒物質検出器として使おうというアイデアは、まさにここから出発する。
今回の試みで天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブのNIRSpec（近赤外線分光器）検出器の一つに不透明なフィルターを被せた。センサーに入ってくる光を完全に遮断したのだ。ジェイムズ・ウェッブのカメラのシャッターを閉じたのと同義である。その状態で検出器に入ってくる微かな自己ノイズを感知した。人類はすでに遠い昔から、CCDをはじめとする光を電流に変換するセンサーを使用してきた。望遠鏡のカメラだけでなく、スマートフォンやデジタルカメラもすべて同じ原理で動作する。したがって、私たちは望遠鏡の検出器にどのような形でノイズが発生すべきかをよく理解し、モデル化することができる。望遠鏡自体の熱、宇宙から飛んでくる強力な宇宙線粒子などによって、ジェイムズ・ウェッブの検出器のピクセルごとにどれだけの電荷が検出されるべきかを知ることができるのだ。
ところが、もし実際にジェイムズ・ウェッブのシャッターを閉じて実験した際、予想とは異なり、より多くの電荷が検出されたらどうなるだろうか？これは、私たちが全く理解していない何かが望遠鏡の検出器を刺激したためだと考えられる。重要なのは、この実験はジェイムズ・ウェッブのシャッターを閉じたまま進行するという点だ。つまり、普通の光は一切入ってこない。星の光、銀河の光、何一つ原因にはなり得ない。代わりに考えられるのはただ一つ。検出器のシャッターをそのまま突き抜けて検出器に到達できる幽霊のような存在、まさに暗黒物質だ。今回の実験で、ジェイムズ・ウェッブを丸ごと暗黒物質検出器として使ってみようというアイデアは、まさにこれである。
この斬新な実験の結果はどうだったのだろうか？このグラフは、実際にジェイムズ・ウェッブのNIRSpecのシャッターを閉じたまま収集した電荷の分布を示している。検出器のピクセルごとに何個の電荷が検出されたか、その分布を示すヒストグラムだ。空色のヒストグラムを見ると、電荷が多いピクセルから少ないピクセルまで、滑らかにその数が増減する正規分布のような分布を成している。ここで青い線は、暗黒物質の効果を排除したときの、純粋な自己ノイズの分布だ。空色のヒストグラムと青いグラフを比較すると、事実はほぼ差がない。つまり、ジェイムズ・ウェッブの目（シャッター）を閉じて行った斬新な実験でも、暗黒物質粒子の痕跡は特段発見されなかった。
それでは今回の実験は失敗だったのだろうか？結果だけを見れば、暗黒物質の信号を捉えられなかったため、そうとも言える。しかし、必ずしもそうではない。むしろ私たちが暗黒物質を探す際、「どこを見るべきか」ではなく「どこを見る必要がないか」を教えてくれる重要な手がかりだからだ。このグラフは非常に興味深い。このグラフは、私たちが探している暗黒物質候補粒子の物理量分布を示している。横軸は暗黒物質粒子の質量レベル、エネルギーレベルを表す。そして縦軸は、暗黒物質粒子が相互にどれだけ容易に作用できるかという有効断面積を表す。断面積が大きいほど、より遠くにあっても容易に作用するという意味だ。しかし、このグラフで色付けされた領域は、多様な実験と観測を通じて排除された領域を示している。つまり、暗黒物質粒子は色付けされた領域には存在し得ないという意味だ。
興味深いことに、これまで人類は暗黒物質を見つけられないまま、暗黒物質粒子が「存在してはいけない場所」をふるいにかける作業を行ってきたことになる。質量はある程度以上重いか軽いか、断面積はある以上または以下であるか、暗黒物質粒子が存在し得ない物理量の範囲を見つけ出し排除していくことで、一種の消去法的に暗黒物質粒子を追い詰めているのだ。
ジェイムズ・ウェッブのシャッターを閉じて行ったこの興味深い試みは、グラフの上に青い新たな排除領域を追加した。これにより、また一つ暗黒物質が逃げ出せる空間を狭めた。グラフ上でまだ色付けされていない白い領域に、暗黒物質が隠れている確率がより高まったのである。
このように少しずつ暗黒物質が存在し得ない物理量の範囲を排除していくプロセスは、二つの側面で解釈できる。私たちが暗黒物質が逃げ出せる範囲を徐々に狭め、捜索範囲を絞り込んでいくプロセスと見ることができる。無駄な領域をわざわざ探さずに済むよう、時間的な浪費を減らしてくれる。そして、暗黒物質の物理量の範囲を少しずつ圧迫していくことで、最終的に最後まで隠れていた奴を見つけ出せるようになるはずだと考えることもできる。
あるいは、そもそも暗黒物質のようなものは最初からなかったが、それも知らずに人類は白い領域を少しずつ削っていくような、愚かなことをしているだけとも見なせる。そもそも白い領域に隠れているものなど何もないのに、一人で少しずつ白い領域を塗りつぶしていきながら、まだ色を塗っていない領域に何かが隠れているはずだと自分を慰めている姿かもしれない。
暗黒物質を狩るプロセスにおいて、天文学と素粒子物理学は密接に繋がっている。天文学は光の科学であるため、光を出さない暗黒物質を直接見るのは難しい。その代わりに、見えるものを通じて、見えない存在がどのような特徴を持つべきか、あるいは持つべきではないかというガイドラインを提示する。するとそれを基に、地球の素粒子物理学者が暗黒物質を捕まえるための罠を設計するのだ。
暗黒物質を追跡するプロセスは、現代天文学が抱いている最も基本的な哲学を代弁する。「宇宙論的認識」と呼ばれる概念だ。私たちは今、見えるすべてのものが、見えないすべてのものの影響を受けており、知っているすべてのものが、まだ知らないすべてのものと繋がっていることを知っている。暗黒物質は見えない。だからこそ、望遠鏡のシャッターを開くのではなく、逆に閉じて暗黒物質を見ようとしたのだ。開いていた目を閉じなければならない。目を閉じてこそ見えるもの、それこそがまさに暗黒物質の本質である。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s2q8-rzb3
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃、『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。現在は世宗大学校自由専攻学部の助教授として、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。『毎日、宇宙の一片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど知ることができる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイドブック』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。