「幽霊のような」銀河の三重奏がダークマターの正体をヒント

「幽霊のような」銀河の三重奏、ダークマターの正体を示唆 — そしてそうでないもの

衝突がこれらの銀河からダークマターを奪ったのかもしれない。それは重力の代替理論にとって問題となる。

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銀河DF2、DF9、DF4（左から時計回り）におけるダークマターの欠如は、科学者たちにとって衝撃であり、彼らはこれらの銀河が古代の衝突後に形成されたと推測している。

NASA、ESA、P. van Dokkum (イェール大学); M. A. Keim/HST; Van Dokkum, P., Shen, Z., Keim, M.A. et al

はじめに

地球から約6500万光年離れた場所に、3つの銀河がある。それらはあまりにも奇妙な姿をしている。渦巻く光に満ちた銀河ではなく、星々がまばらに散らばり、かすかに照らされた、青白い天体だ。「それらは幽霊のような外見をしている」と、イェール大学の宇宙物理学者であるマイケル・カイムは語る。そして、それが彼らに関する最も奇妙な点ですらない。

ダークマターは、宇宙の最大の構造をまとめる見えない接着剤だ。それは通常の可視物質を引き寄せ、星の形成を可能にし、銀河の星々が散り散りになるのを防いでいる。「ほとんど全ての銀河はダークマターに支配されている」と、キングス・カレッジ・ロンドンの理論物理学者であるシャム・バラジは言う。

しかし、DF2、DF4、DF9として知られるこれら3つの拡散銀河は、天文学者たちを驚愕させている。一連の望遠鏡を使って星々の運動を代理指標として質量を推定した研究者たちは、これら3つすべてにダークマターがほとんど存在しないことを発見した。代わりに、わずかな通常の物質だけが、それらの小さな星の集まりを形成したに違いない。これらの規則を破る銀河はどのように形成されたのだろうか？

2026年6月に『The Astrophysical Journal』に掲載された論文は、その可能性のある解決策を提示している。かつて、2つの通常の銀河が衝突した。それらの通常の物質 — ガスと塵 — は渦巻き、塊になった。しかし、ダークマターはそのまま通り抜け、幽霊が壁を通り抜けるように、そのまま進んでいった。この宇宙の積み重なりは、ダークマターを失い、新しい星のバッチを形成するために苦闘することになった3つの新しい銀河を後に残した。

それは多くの専門家にとって説得力のある説明であり、そして重要なことに、ダークマターの謎について何かを教えてくれるかもしれない。

一部の科学者は、まだ直接検出されていないダークマターは存在しないのではないかと示唆している。その代わりに、重力の理解を少し修正すれば、宇宙の様々な特徴を説明できると提案している。

これらの奇妙な銀河は、その考えに冷や水を浴びせる。「これは、ダークマターが…単なる重力の修正ではないことを示している」と、新しい研究の著者でもあるカイムは言う。もし通常の物質とダークマターを分離するなら、ダークマターを欠いた銀河は星を形成するのに苦労すると予想されるだろう — そしてDF2、DF4、DF9はまさにそれを示している。

それは、多くの人が長い間疑っていたように、ダークマターが物理的なものであることを示唆している。「ダークマターの不在は、ある意味でダークマターの証拠でもある。皮肉なことだ」とバラジは言う。

ダークゴースト

ダークマターとは、一体何なのだろうか？1930年代に天文学者フリッツ・ツビッキーによって正式に提唱され、1970年代に天文学者ヴェラ・ルービンによって発展させられて以来、宇宙論者や宇宙物理学者は最良の候補を提示してきた。それはステルス型のニュートリノだろうか？いわゆる弱く相互作用する重い粒子、またはWIMPだろうか？原子一つほどの大きさで宇宙と同じくらい古い原始ブラックホールであるとさえ主張する者もいる。

「どのダークマター候補が正しいのか、私たちにはわからない」と、カリフォルニア大学アーバイン校の素粒子物理学者であるダニエル・ホワイトソンは言う。それが何であれ、まだ検出されていない。「しかし、ダークマターが物質であるという独立した証拠はたくさんある」。

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2018年、科学者たちはハワイのマウナケアにあるケック天文台からの観測を利用して、銀河DF2の質量を推定した。彼らは、その銀河が予想よりも400倍少ないダークマターを含んでいることを発見した。

WM Keck Observatory/Ethan Tweedie

宇宙の27%、全物質の85%を占めるダークマターは、重力と相互作用する。もしそれが通常の物質の重力だけによるものなら、急速に回転する銀河の端にある星々は宇宙空間に飛び出してしまうだろう。通常の物質だけでは、星を形成するのに十分なほど強く塊になるのは難しいだろう。ダークマターは空間自体を歪め、重力レンズ効果として知られるプロセスで物体を囲む光を曲げるようにも見える。

「ダークマターなしでは銀河は得られないだろう」と、ユニバーサル・カレッジ・ロンドンの物理学者であるチャムカウア・ハーグは言う。「そもそもダークマターなしで銀河を進化させる方法があるだろうか？私たちの理解では、ない」。

だから、2018年にDF2が発見されたとき、天文学者たちはそれをどう解釈すればよいか分からなかった。この銀河は天の川銀河とほぼ同じ大きさだが、星の数が200倍少なく、かなり暗い。疑わしいことに、科学者たちはハワイのケック天文台を使ってそれらの星の運動を追跡し、総質量を推定した。彼らは、そのような星の少ない銀河でさえ、軽量であることを発見した。それは、予想される量の400倍少ないダークマターしか含まれていないように見え、DF2はこれまで発見された最初のダークマター欠乏銀河となった。

2019年には、別の幽霊銀河であるDF4がダークマターの不足とともに観測された。そして2026年には、3番目のDF9もこの仲間入りをしたと科学者たちが発表した。それは約1億個の太陽の質量を含んでおり、これは通常の物質しか持たないことと一致する。もしダークマターも豊富に含まれていれば、それは100倍も重いだろう。

これら3つの薄い銀河が、隣人として一直線上に存在していたことは、宇宙物理学者たちの注意を逃れず、彼らは起源の物語をまとめ始めた。

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ハッブル宇宙望遠鏡からのこの画像は、隣接する銀河DF2、DF9、DF4を示している。古代の激しい衝突が、それらのダークマターを剥ぎ取り、通常の物質だけを残したのかもしれない。

ESA/Hubble/NASA/Digitized Sky Survey 2/Acknowledgement: Davide de Martin

ダークマターは重力とのみ相互作用することが知られており、電磁気のような他の基本力と相互作用するという説得力のある証拠はまだない。もし2つの典型的な銀河が正面衝突した場合、ダークマターはほとんど摩擦や抵抗を受けず、そのまま通り抜けるだろう。しかし、4つの基本力すべてを使って相互作用する通常の物質は、すべて絡み合ってしまうだろう。

「騎士同士が槍試合をしているようなものだ。騎士と槍は衝突し、地面に山積みになるかもしれないが、馬は全速力で走り続ける」と、サンノゼ州立大学の天文学者であるアーロン・ロマネウスキーは語った。

重力修正理論への打撃

いくつかの独立した専門家は、カイムと同僚が語る物語を信じている。「非常に説得力がある」とホワイトソンは言う。

それは、38億光年離れた場所にある2つの巨大な銀河の集まりであるバレット・クラスターを彷彿とさせる。この破壊的な衝突は、最近ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって観測されたが、ダークマターと通常の物質が衝突中に引き裂かれたと仮定した場合にのみ意味をなす、乱雑な質量の分布を示している。

DF2、DF4、DF9では、この種の分離がより鮮明に見られるものの、分離がどのように起こったかについては全員が同意しているわけではない。

ユニバーサル・カレッジ・ロンドンの理論宇宙物理学者であるキンワー・ウーは、この三重奏が銀河衝突後に見られると予想されるような、流動的でかすんだ特徴を何も示していないと指摘する。彼は、この場合、DF2、DF4、DF9は、巨大な銀河の大きな集団を通過していたと示唆している。この異常に大きな集団が、彼らの不運な航海の間に三重奏からすべてのダークマターを剥ぎ取ったのだ。

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バレット・クラスターは、2つの銀河集団の間の大規模で古代の衝突の結果である。そこでは、銀河間ガス（ピンク色で表示）とダークマター（青色で表示）が分離している。

NASA

ケース・ウェスタン・リザーブ大学の天文学者で、長年重力修正理論の提唱者であるステイシー・マクゴーは、より懐疑的だ。「形成メカニズムが何であるかは、私には明らかではない」と言う。古代の衝突は「もっともらしい起源の物語だが、例外的なものだ。もしそれが起こったのなら、残りはそれに続く」と言い換えることができる。つまり、これらの銀河がダークマターを奪われたときに創造されたのであれば、ダークマターが物理的な物質であると考えるのは理にかなっている。

「しかし、問題は、それが起こったことなのか？」と彼は続ける。「そして、それが起こりうる唯一の方法であるとは確信していない」。彼らの起源の物語を決定的に知ることなしには、ダークマター自体の性質について何も言えないと考えている。

しかし、ほとんどの専門家は、DF2、DF4、DF9がダークマターが物理的なものではないという前提でどのように存在できるのか理解できない。「衝突のようなものを介して冷たいダークマターを取り除くことよりも、自然の法則をオフにすることの方が簡単だ」とバラジは言う。

「代替理論があり、オープンな議論があるのは良いことだし、健全なことだと思う」とホワイトソンは言う。「しかし、理論がデータに合っているかどうかについても率直に話そう。MONDはそうではない」。

ダークマターの正体は依然として不明である。しかし、これらの銀河は、その人気がますます低下している競合相手の棺桶に、さらに一つの釘を打っていると言えるだろう。

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