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120億年前の暗黒物質(ダークマター)が検出

Posted by moonrainbow on 20.2022 暗黒物質   0 comments   0 trackback
約120億年前の銀河周辺の暗黒物質を検出…標準モデルの予想よりも分布はなめらか

約120億年前の銀河周辺
ビッグバン後に発生した光の名残が、120億年前の暗黒物質によって歪められる「重力レンズ効果」の現象を示す概念図。

新たな研究により120億年前の暗黒物質(ダークマター)が検出された

研究者らは「重力レンズ効果」を利用して、はるか昔の銀河の周りにある暗黒物質の分布を探った。

暗黒物質とは、宇宙に存在する全物質の約27%を占める、目に見えない謎の物質のことをいう。

科学者たちは、120億年前の銀河の周りに暗黒物質(ダークマター)が分布していることを突き止めた。これまで検出された中で最も古い時代のものになる。

2022年8月1日付けで「Physical Review Letters」に掲載された新たな研究論文によると、120億年前というビッグバンから20億年も経っていない時代の暗黒物質(宇宙を構成する物質の約27%を占める目に見えない謎の物質)が検出された。

「我々は初めて、宇宙の最も初期段階の暗黒物質を測定した」とこの論文の共同執筆者である東京大学の播金優一助教はプレスリリースで述べている。

「120億年前、状況は大きく異なっていた。現在よりも多くの形成途中の銀河が見られ、最初の銀河団も形成され始めていた」

暗黒物質は光を発しないために直接検出できない。しかし、暗黒物質が銀河などの目に見える物質に及ぼす重力レンズ効果という現象を観測することはできる。重力がレンズのように作用し、その背後にある物質から発せられる光をゆがめる現象だ。

今回の研究でも重力レンズ効果を利用した手法により、宇宙で最初の光のゆがみを測定した


2022年8月14日
BUSINESS INSIDER JAPANより

ダークマター探索の新たな実験開始

Posted by moonrainbow on 23.2022 暗黒物質   0 comments   0 trackback
ダークマター探索の新たな実験開始…サウスダコタ州の地下にある最大の検出器で相互作用を監視

ダークマター探索の新たな実験開始
サウスダコタ州リードにあるかつての坑道を利用したサンフォード地下研究施設を歩く2人の研究者。2019年12月8日撮影。

サウスダコタ州の古い金鉱を利用した研究施設で、ダークマターの探索を行う新たな実験が始まった

10トンの液体キセノンを用いた「LUX-ZEPLIN」は、地球で最も強力なダークマター検出器だ。

ダークマターが検出されれば、宇宙の基本的な謎が解明されるだろう。

古い金鉱の奥深く、液体キセノンで満たされた槽の中で、ダークマター(宇宙の全物質の約85%を占める謎の物質)の新たな探索が始まった。

ダークマターとは何か。それは誰も正確には分からない。ダークマターは遠くの銀河に重力で影響を与えており、それが測定できることから、科学者はその存在を知っている。だが直接検出されたことは一度もない。サウスダコタ州リードの地下で行われている新たな実験の目的は、他の素粒子との相互作用しているダークマターを捕らえることだ。

この実験は「LUX-ZEPLIN(LZ)」と呼ばれている。10トンの純度が高い液体キセノンが入った槽に取り付けられた検出器を用いて、ダークマターがキセノンの原子核に衝突したときに生じる極めて微弱なエネルギーの閃光を捉えようとするものだ。研究者らは新たな素粒子を探索する準備が整ったと2022年7月7日に述べている。

250人の科学者から成るLZチームの広報を担当するヒュー・リッピンコット(Hugh Lippincott)は、「今もダークマターは、素粒子物理学における最大の謎の1つだ」とライブ配信されたプレゼンテーションで述べている。

8年間の準備期間の後、LZ検出器のテスト運転を63日かけて行ったところ、期待通りに動作したと研究者らは述べている。テスト結果は7月7日にウェブサイトで公開された。今年の夏の終わりか秋の初めごろに開始する最大1000日間の実験を行うための準備が現在進められている。2023年頃には最初の結果が得られるだろう。観測は最長で5年間続く可能性がある。

ダークマターを探すために液体キセノンを利用した装置はこれまでにもあったが、LZ検出器は最も大きく、感度も最もよいものだ。新たなデータによってダークマターの質量の範囲が絞り込まれ、探索する質量が小さくなったが、それでも十分な感度を有している。

もし新たな粒子が発見されれば、1970年代以来、我々の宇宙に対する理解を規定してきた「標準模型」を超える、より精密な新しい物理学につながる可能性がある。ダークマターが発見されれば、我々の宇宙に対する最も基本的な理解に革命が起こるだろう。

「誰もが『標準模型を超える物理』的な何らかの証拠を見つけようとしている。その最も確かな証拠となるのがダークマターだろう」とプロジェクトの物理学コーディネーターであるアーロン・マナレイセイ(Aaron Manalaysay)はInsiderに語っている。

「しかしそれが何であるのか、本当に分かっていない」

暗黒物質の検出には、極めて静かな環境が必要
弱相互作用質量粒子(WIMP)は、ダークマターの候補とされる理論上の素粒子で、「弱い相互作用」だけに関与し、ごくまれに目に見える物質の素粒子と衝突することがあると考えられている。これは有力な理論とされているが、WIMPはまだ検出されたことがない。LZプロジェクトでは主にこれを探そうとしている。

ただし、WIMPが空間を突き進んだとしても、相互作用が発生することはまれで、何かと衝突するのは、1000万光年の厚さの鉛にWIMPを打ち込んだとしても1回程度だと、リッピンコットは述べている


2022年7月18日
BUSINESS INSIDER JAPANより

「ダークマター」(暗黒物質)のない銀河「AGC114905」?

Posted by moonrainbow on 25.2021 暗黒物質   0 comments   0 trackback
ダークマターのない銀河を発見? 銀河形成モデルは新たな展開へと向かうのか

超拡散矮小銀河「AGC114905」
【▲超拡散矮小銀河「AGC114905」。銀河の恒星の発光は青で示してあり、緑の雲は中性の水素ガスです。最新鋭の望遠鏡を用いて40時間に及ぶ詳細な観測を行いましたが、この銀河にはダークマターが含まれていないように見える(Credit: Javier Román & Pavel Mancera Piña)】

幽霊のような物質「ダークマター」(暗黒物質)と銀河は切っても切れない関係にあります。それはダークマターが銀河の形成に重要な役割を果たしていると考えられているからです

オランダの研究者を中心とする国際的な天文学者チームは、最新鋭の望遠鏡を用いて40時間に及ぶ詳細な観測を行ったにもかかわらず、銀河「AGC114905」にダークマターの痕跡を発見することができませんでした。この観測結果はダークマターのない銀河の存在を強く証拠付けるものです。

問題の銀河、AGC114905は約2億5000万光年の距離にあります。「超拡散矮小銀河」(ultra-diffuse dwarf galaxy)と呼ばれる銀河に分類されていますが、「矮小銀河」という名前は、その大きさではなく、その低い光度を表しています。サイズは天の川銀河とほぼ同じですが、含まれる恒星の数はその1000分の1程度しかありません。すべての銀河、特に超拡散矮小銀河は、ダークマターによって支えられていなければ存在できないというのが一般的な考え方です。

研究者たちは、VLA(Very Large Array)電波望遠鏡を使用して、2020年7月から10月までの間、40時間に渡ってAGC114905でのガスの回転に関するデータを収集しました。

続いて、X軸に銀河の中心からガスまでの距離、Y軸にガスの回転速度を示すグラフを作成しました。これは、ダークマターの存在を明らかにするための標準的な方法です。グラフは、AGC114905のガスの動きが通常の物質によって完全に説明できる(ダークマターの存在を必要としない)ことを示していました。

「これはもちろん、私たちがこれまでに行ってきた測定結果を裏付けるもので、私たちが考え、望んでいたことでもあります」とPavel Mancera Piña氏(フローニンゲン大学及びオランダ電波天文学研究所)は語っています。「しかし、理論的にはAGC114905にダークマターがあるはずなのに、私たちの観測結果ではそれがないという問題は未解決のままです。実際、理論と観測の差は大きくなる一方です」

研究者たちは、論文の中で、ダークマターがないことの説明として考えられる可能性をいくつか挙げています。

例えば、AGC114905は、近くの大きな銀河の重力によってダークマターが剥ぎ取られた可能性があります。「しかし、それはありえません」とMancera Piña氏は否定します。「銀河形成モデルとして最も定評のある、いわゆる「コールド(冷たい)ダークマターモデル」(cold dark matter model:CDMモデル)では、通常の範囲をはるかに超えた極端なパラメータの値を導入しなければなりません。また、CDMモデルの代替理論である修正ニュートン力学でも、銀河内のガスの運動を再現することはできません」

研究者によると、結論を変える可能性のある仮定がもう1つあると言います。それは、銀河を観測している角度の推定値です。論文の共著者であるTom Oosterloo氏(オランダ電波天文学研究所)は、「しかし、ダークマターが存在する可能性を考えるためには、その角度が我々の推定値から非常に大きく外れていなければなりません」と語っています。

一方、研究者たちは、2番目の超拡散矮小銀河を詳細に調べています。その銀河で再びダークマターの痕跡が観測されなければ、ダークマターの乏しい銀河の存在はさらに強固なものとなるでしょう。

果たして理論と観測結果は一致するのでしょうか? それとも観測結果を説明するために新たなモデルが構築されるのでしょうか? 今後の展開が待たれます


Image Credit: Javier Román & Pavel Mancera Piña

2021-12-17
Soraeより

「ダークマター」のマップ

Posted by moonrainbow on 12.2021 暗黒物質   0 comments   0 trackback
幽霊のような物質「ダークマター」のマップ アメリカ自然史博物館プラネタリウムで紹介

「ダークマター」のマップ
【▲アメリカ自然史博物館のヘイデンプラネタリウムで紹介された「ダークマター」のマップ(Credit:Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH)】

目に見えない幽霊のような物質「ダークマター」(暗黒物質)!

いまやダークマターなしに宇宙を語ることはできなくなっています。例えば、銀河の回転速度や銀河団の高速度移動、重力レンズ現象などはダークマターによる強い重力が主な原因と考えられています。また、宇宙マイクロ波背景放射との関わりも指摘されています。

アメリカ自然史博物館のヘイデンプラネタリウム(Hayden Planetarium)の宇宙ショー「ダークユニバース」で紹介されている画像は、ダークマターがわたしたちの宇宙の至る所に広がっている様子を示しています。

詳細なコンピュータシミュレーションによるこの画像では、黒で示されたダークマターの複雑なフィラメントがクモの巣のように宇宙に散らばっている一方で、比較的まれなバリオン物質(原子からなる通常の物質)の塊がオレンジ色で示されています。これらのシミュレーションは、天文学的な観測結果と統計的によく一致しています。

ダークマターはまだまだ解明すべき未知の存在ですが、もはや宇宙で最も奇妙な重力源ではないと考えられています。この「名誉ある地位」は、現在ではダークエネルギーに引き継がれています。ダークエネルギーは、反発力(斥力)を持つ重力源であり、宇宙全体の膨張を支配しているように思われています。

ところで、冒頭の画像は2021年10月31日付けのAPOD(Astronomy Picture of the Day)に掲載されました。

10月31日といえばハロウィン。ハロウィンといえば幽霊を連想するので、幽霊のような物質「ダークマター」とかけたのでしょうが、近年10月31日を「ダークマターデイ」(DARK MATTER DAY)として祝い、さまざまなイベントも行われているようです。

日本でも、高エネルギー加速器研究機構では特設サイトを設け、ダークマターの説明とともに、とても可愛い「ダークマター」が動き回っています


Image Credit: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH

2021-12-04
Soraeより

矮小銀河「きょしちょう座II」の周りに広がるダークマターハロー

Posted by moonrainbow on 12.2021 暗黒物質   0 comments   0 trackback
古い矮小銀河の周りに広がるダークマターハロー

超低輝度矮小銀河「きょしちょう座II」付近
きょしちょう座II
スカイマッパー望遠鏡で撮影された超低輝度矮小銀河「きょしちょう座II」付近。この銀河に属する星々はきわめてまばらで暗いため、この画像では銀河の形はほぼ全くわからない(提供:Anirudh Chiti, MIT)

天の川銀河のそばにある矮小銀河が、大きく広がったダークマターのハローを持つことがわかった。宇宙最初の銀河ができた過程を知る手がかりになるかもしれない

私たちの天の川銀河の周囲には、大マゼラン雲・小マゼラン雲という伴銀河をはじめ数十個の矮小銀河が存在している。このような矮小銀河は宇宙で最初に誕生した銀河の名残だと考えられている。

これらの矮小銀河のうち最も古いものの一つと考えられているのが、2015年に約16万3000光年彼方に発見された「きょしちょう座II」と呼ばれる銀河だ。きょしちょう座IIの総質量は約270万太陽質量だが、そのうち恒星が占めるのは3000太陽質量ほどしかなく、質量のほとんどがダークマターである。こうした、きわめて小さく暗い矮小銀河は「超低輝度矮小銀河」(ultra-faint dwarf galaxy; UFD)と呼ばれている。

きょしちょう座IIでは、非常に金属量(水素とヘリウム以外の元素)の少ない星々が銀河の中心部で見つかっており、これまでに知られている超低輝度矮小銀河の中で化学的に最も古いと考えられている。宇宙では、恒星内部の核融合で作られた重元素が超新星爆発でまき散らされ、まき散らされた物質から次の世代の恒星が生まれるというサイクルによって金属量が増えるため、金属量の少ない星ほど宇宙の初期の時代に生まれたと考えられるからだ。

米・マサチューセッツ工科大学のAnirudh Chitiさんたちの研究チームは、きょしちょう座IIがさらに古い星々を含んでいるかどうかを調べるため、オーストラリア・サイディングスプリング天文台のスカイマッパー望遠鏡できょしちょう座IIの多色観測を行い、この銀河の中心から遠く離れた位置にある金属量の少ない星を探した。その結果、きょしちょう座IIの中心部にある既知の古い星々とは別に、中心から遠く離れた位置にある金属欠乏星を9個発見した。この結果は、超低輝度矮小銀河にも大きく広がったダークマターハローが存在しうることを示す初の証拠だ。

「これほど遠くの星を重力で束縛しているということは、きょしちょう座IIはこれまで考えられていたよりもはるかに重いことになります。宇宙で最初に生まれた他の『第一世代』の銀河も、こうした広がったハローを持つのかもしれません」(Chitiさん)。

またChitiさんたちは、チリ・ラスカンパナス天文台のマゼラン望遠鏡でもきょしちょう座IIの観測を行い、銀河内の相対的な金属量の違いを調べた。すると、この銀河の外縁部にある星は中心部の星に比べて金属量が約1/3しかなく、より古いことがわかった。古い銀河の外縁部と中心部で化学的な違いが見られたのはこれが初めてだ。

この違いを生んだ原因として考えられる説の一つは、初期宇宙でも銀河の衝突合体が起こっていたというものだ。第一世代に近い銀河同士が衝突し、大きくやや新しい方の銀河が、小さくてやや古い方の銀河を飲み込んで、その星々を外側にまき散らしたのかもしれない。こうした銀河の「共食い現象」は宇宙の歴史の中で常に起こっているが、初期宇宙の銀河でも起こっていたかどうかははっきりしていなかった。「きょしちょう座IIは、やがては天の川銀河に容赦なく飲み込まれますが、この銀河自身も共食いの歴史を経験していたのかもしれません」(同大学 Anna Frebelさん)。

研究チームはさらに古く、銀河中心からより離れた星が見つかることを期待して、天の川銀河の周りにある他の超低輝度矮小銀河も同じ手法で観測することにしている。「このような古い星を外側に持つ銀河はもっとたくさんあり、もしかしたら全ての矮小銀河にこのような星があるかもしれません」(Frebelさん)


2021年2月8日
AstroArtsより
 

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