何年もの間、暗黒物質は悪い振る舞いをしてきました。この用語は、約 80 年前に天文学者のフリッツ ツヴィッキーによって初めて使われました。フリッツ ツヴィッキーは、個々の銀河が巨大な銀河団から逃げるのを止めるには目に見えない重力が必要であることに気付きました。その後、ヴェラ・ルービンとケント・フォードは、目に見えない暗黒物質を使用して、銀河自体が飛び散らない理由を説明しました。
しかし、これら 2 つの状況を説明するために「暗黒物質」という用語を使用していますが、同じ種類の物質が働いているかどうかは明らかではありません。最も単純で最も人気のあるモデルは、暗黒物質は重力の下でゆっくりと動き回る弱く相互作用する粒子でできているというものです。このいわゆる「冷たい」暗黒物質は、銀河団のような大規模構造を正確に表しています。ただし、個々の銀河の回転曲線を予測するのはうまくいきません。暗黒物質は、このスケールでは異なる振る舞いをするようです.
この難問を解決するための最新の取り組みで、2 人の物理学者が暗黒物質が異なるサイズ スケールで相を変化させることができると提案しました。ペンシルバニア大学の物理学者 Justin Khoury と、彼の元ポスドクで、現在プリンストン大学にいる Lasha Berezhiani は、銀河のハローの冷たくて高密度の環境では、暗黒物質が凝縮して超流動状態になると述べています。粘性がゼロの物質。暗黒物質が銀河規模で超流動を形成する場合、冷たい暗黒物質モデルに適合しない観測を説明する新しい力を生み出す可能性があります。しかし、銀河団の規模では、超流動状態が形成されるために必要な特別な条件は存在しません。ここで、暗黒物質は従来の冷たい暗黒物質のように振る舞います。
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ティム・テイトは、「これは素晴らしいアイデアです。 「1 つのことで 2 種類の暗黒物質を説明することができます。」そして、その優れたアイデアはすぐにテスト可能になるかもしれません。他の物理学者も同様のアイデアをいじっていますが、Khoury と Berezhiani は、天文学者が私たちの銀河が超流動の海を泳いでいるかどうかを調査できるようにするテスト可能な予測を抽出できるところまで来ています。
不可能な超流動
ここ地球では、超流動はまったくありふれたものではありません。しかし、物理学者は 1938 年以来、研究室でそれらを調理してきました。粒子を十分に低い温度まで冷却すると、その量子的性質が現れ始めます。それらの物質波は広がり、互いに重なり合い、最終的にはそれらが 1 つの大きな「超原子」であるかのように動作するように調整されます。それらは、レーザーの光粒子がすべて同じエネルギーを持ち、1 つとして振動するように、コヒーレントになります。最近では、学部生でさえラボでいわゆるボース アインシュタイン凝縮体 (BEC) を作成しており、その多くは超流動体として分類できます。
超流動は日常の世界には存在しません。必要な量子効果が影響を与えるには、あまりにも暖かすぎるのです。そのため、「おそらく 10 年前であれば、人々はこの考えに難色を示し、『これは不可能だ』とだけ言ったでしょう」と Tait 氏は述べています。しかし最近、より多くの物理学者が、極限状態の宇宙で自然に形成される超流動相の可能性に関心を寄せています。超流動は中性子星の内部に存在する可能性があり、一部の研究者は時空自体が超流動である可能性があると推測しています。では、なぜ暗黒物質にも超流動相があってはならないのでしょうか?
粒子の集まりから超流動体を作るには、次の 2 つのことを行う必要があります。粒子を非常に高密度に詰め込み、非常に低い温度まで冷却します。実験室では、物理学者 (または学部生) が粒子を電磁トラップに閉じ込め、レーザーでザッピングして運動エネルギーを除去し、温度を絶対零度より少し上まで下げます。
銀河の内部では、電磁トラップの役割は銀河の引力によって果たされ、密度要件を満たすのに十分なほど暗黒物質を圧縮することができます。温度要件はもっと簡単です。結局、宇宙は自然に寒いのです。
銀河のすぐ近くに見られる「ハロー」の外では、重力の引力は弱く、暗黒物質は超流動状態に入るほど密に詰め込まれません。天文学者がより大きなスケールで見ているものを説明して、暗黒物質が通常行うように作用します.
しかし、暗黒物質が超流動であることの何がそんなに特別なのでしょうか?この特殊な状態は、暗黒物質の振る舞いをどのように変えることができるのでしょうか?長年にわたり、多くの研究者が同様のアイデアで遊んできました。しかし、Khoury のアプローチは、超流動がどのように余分な力を生み出すことができるかを示しているため、ユニークです。
物理学では、フィールドを乱すと波が発生することがよくあります。たとえば、アンテナで電子を振ると、電場が乱れ、電波が発生します。衝突する 2 つのブラック ホールで重力場を小刻みに動かすと、重力波が発生します。同様に、超流動体を突き刺すと、フォノン (超流動体自体の音波) が生成されます。これらのフォノンは、重力に加えて、荷電粒子間の静電力に類似した追加の力を発生させます。 「重力に加えて追加の力が得られるのは素晴らしいことですが、実際には本質的に暗黒物質に関連しています」と Khoury 氏は述べています。 「この力を生み出すのは暗黒物質媒体の特性です。」余分な力は、銀河の暈内部の暗黒物質の不可解な挙動を説明するのに十分です.
別の暗黒物質粒子
暗黒物質ハンターは長い間活動してきました。彼らの取り組みは、いわゆる弱く相互作用する大質量粒子 (WIMP) に焦点を当てています。 WIMP は、粒子が天体物理学的観測の大部分を占めるだけでなく、素粒子物理学の標準モデルの仮説の拡張から自然に飛び出すため、人気があります。
しかし、誰も WIMP を見たことがなく、標準モデルの仮説の拡張も実験に現れていません。新しいゼロの結果が出るたびに、その可能性はさらに薄れ、物理学者はますます他の暗黒物質の候補を検討しています。 「どの時点で、間違った木を吠えていると判断しますか?」ケース・ウェスタン・リザーブ大学の天文学者であるステイシー・マクゴーは、次のように述べています。
KhouryとBerezhianiのアイデアを機能させる暗黒物質の粒子は、断固としてWIMPのようではありません. WIMP は、基本粒子が進むにつれてかなり巨大になるはずです。100 個の陽子とほぼ同じ大きさです。 Khoury のシナリオが機能するためには、暗黒物質粒子の質量が 10 億分の 1 である必要があります。結果として、それらの何十億倍もの数が宇宙を駆け抜けているはずです。観測された暗黒物質の影響を説明し、超流動が形成されるのに必要な高密度の充填を達成するのに十分です。さらに、通常の WIMP は互いに相互作用しません。暗黒物質の超流動粒子には、強く相互作用する粒子が必要です。
最も近い候補はアクシオンであり、電子の質量の 10,000 兆兆倍の質量を持つ仮想的な超軽量粒子です。ワシントン大学の理論物理学者 Chanda Prescod-Weinstein によると、アクシオンは理論的には Bose-Einstein 凝縮体のようなものに凝縮できます。
しかし、標準的なアクシオンは、Khoury と Berezhiani のニーズに完全には適合しません。彼らのモデルでは、粒子は互いに強い反発的な相互作用を経験する必要があります。典型的なアクシオン モデルには、弱く魅力的な相互作用があります。とはいえ、「暗黒物質はおそらく何らかのレベルでそれ自体と相互作用していると誰もが考えていると思います」とテイトは言いました。その相互作用が弱いか強いかを判断するだけです。
宇宙超流動探索
Khoury と Berezhiani の次のステップは、モデルをテストする方法を見つけることです。つまり、この超流動の概念を通常の冷たい暗黒物質と区別できる明確な特徴を見つけることです。 1 つの可能性:暗黒物質の渦。実験室では、回転する超流動体が渦を巻き起こし、エネルギーを失うことなく進み続けます。銀河内の超流動暗黒物質のハローは、渦の配列も生成するのに十分な速さで回転するはずです。渦が十分に大きければ、それらを直接検出することができます。
残念ながら、そうである可能性は低いです。Khoury の最新のコンピューター シミュレーションでは、暗黒物質の超流動の渦は「かなり薄っぺら」であり、それらが存在するという明確な証拠を研究者に提供する可能性は低いと彼は言いました。彼は、重力レンズ現象を利用して、結晶が通過する X 線光を散乱させるのと同様の散乱効果があるかどうかを調べることができるかもしれないと推測しています.
天文学者は、暗黒物質が超流動のように振る舞うという間接的な証拠を探すこともできます。ここで、彼らは銀河の合併に目を向けます。
銀河が互いに衝突する速度は、動的摩擦と呼ばれるものの影響を受けます。粒子の海を通過する巨大な物体を想像してみてください。小さな粒子の多くは、巨大な物体に引き寄せられます。そして、システム全体の運動量は変化しないため、巨大なボディはそれを補うために少し減速する必要があります。
これは、2 つの銀河が合体し始めるときに起こることです。それらが十分に近づくと、暗黒物質のハローが互いに通過し始め、独立して移動する粒子の再配置により動的摩擦が発生し、ハローがさらに引き寄せられます。この効果は銀河の合体を助け、宇宙全体で銀河の合体率を高めるように働きます。
しかし、暗黒物質のハローが超流動相にある場合、粒子は同期して移動します。銀河同士を引き寄せる摩擦がないため、銀河同士が合体することはより困難になります。これにより、特徴的なパターンが残されるはずです:銀河内で物質がどのように分布するかの干渉パターンです。
完全に合理的な奇跡
McGaugh は、超流動暗黒物質の概念についてはおおむね肯定的ですが、物理学者が 2 つの世界の長所を組み合わせようと懸命に努力しているために、彼が「Tycho Brahe ソリューション」と呼んでいるものを作成している可能性があるのではないかというわずかな懸念を告白しています。 16 世紀のデンマークの天文学者は、地球が宇宙の中心にあり、他のすべての惑星が太陽の周りを回るハイブリッド宇宙論を発明しました。それは、古代のプトレマイオスの体系と、最終的にそれを置き換えるコペルニクスの宇宙論との違いを分けようとしました。 「この種の取り組みはその流れに沿っているのではないかと少し心配しています。おそらく、もっと根本的な何かが欠けているのではないかと思います」と McGaugh 氏は述べています。 「しかし、私たちはまだこれらのアイデアを探求しなければならないと思っています。」
テイトはこの新しい超流動モデルを知的に賞賛していますが、彼は理論が顕微鏡レベルでより具体化され、「すべてを実際に計算し、すべてが想定どおりに機能する理由を示すことができる」点まで見たいと考えています。あるレベルで、私たちが現在行っていることは、いくつかの奇跡を呼び起こすことです」と彼は言いました。 「たぶん、それらはまったく理にかなった奇跡かもしれませんが、まだ完全には確信が持てません。」
潜在的な問題点の 1 つは、Khoury と Berezhiani の概念では、適切な体制で超流動のように機能する非常に特殊な種類の粒子が必要であるということです。これは、彼らのモデルで生成される追加の力の種類が超流動の特定の特性に依存するためです。彼らは、それらの望ましい特性を備えた既存の超流動体 (実験室で作成されたもの) を探しています。 「自然界でそのようなシステムを見つけることができれば、それは驚くべきことです」と Khoury 氏は述べています。 「原理的には、実験室で冷たい原子を使って銀河の特性をシミュレートし、超流動暗黒物質の振る舞いを模倣することができます。」
研究者は何十年にもわたって超流動を研究してきましたが、素粒子物理学者は、凝縮物質物理学などの主題から生じるいくつかのアイデアの有用性を認識し始めたばかりです。これらの分野のツールを組み合わせて重力物理学に適用することで、暗黒物質に関する長年の論争が解決されるかもしれません。他にどんなブレークスルーが待ち受けているかは誰にもわかりません。
「超流動モデルが必要ですか?物理学は私が本当に必要としているものではありません」と Prescod-Weinstein は言いました。 「それは、宇宙が何をしているのかということです。オリオン星雲でメーザーが自然に形成されるように、ボーズ・アインシュタイン凝縮体を自然に形成している可能性があります。宇宙でレーザーは必要ですか？いいえ、でもかなりクールです。」
