スピッツァー宇宙望遠鏡からの画像でここに見られる天の川の中心は、暗黒物質の証拠である可能性のある興味深いガンマ線信号の源です。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学
再び、科学者たちが暗黒物質の決定的な証拠へと増幅されることを期待していた信号の影が、代わりに平らになり、目に見えない遍在する粒子の探索において狂気のリフレインを繰り返した。
フェルミ大域望遠鏡（LAT）は、天の川銀河を周回する小型の「矮小」銀河の暗黒物質を消滅させることによって放出されるガンマ線の輝きを検出できなかったと科学者らが金曜日、日本の名古屋で開催された会議で報告した。このような輝きのヒントは昨年のフェルミ分析で明らかになりましたが、データが蓄積されるにつれて統計的な上昇は消えていきました。
「信号が見られなかったことには明らかに少しがっかりしました」と、フェルミと LAT の共同研究の新しい分析に中心的に関わったスタンフォード大学の博士研究員マシュー ウッド氏は電子メールで述べました。
イリノイ州バタビアのフェルミ国立加速器研究所の理論天体物理学者ダン・フーパーと、当時彼の大学院生だったリサ・グッドイナフが2009年に天の川銀河の中心から来る説明のつかないガンマ線信号を検出した後、科学者たちは矮小銀河に焦点を当てた。フーパーと数人の共同研究者は、ガンマ線はWIMPの形をした暗黒物質によるものではないかと提案した。または、弱く相互作用する大質量粒子。これらは、宇宙の質量の 7 分の 6 を占める目に見えない物質の有力な候補です。 2 つの WIMP が密集した銀河の中心で衝突すると、降下物としてガンマ線が発生して消滅するはずです。過去 5 年間にわたり、興味深いガンマ線信号は、絶滅した WIMP の残骸である可能性がますます高まっています。
しかし、科学者たちは、同じ輝きが、銀河の中心にある未知の集団であるミリ秒パルサー、つまり宇宙にガンマ線を吐き出す明るく高速で回転する星から発生している可能性があることを知っていました。
2 つの可能性を区別する方法を探して、科学者たちは、暗黒物質が豊富であるがパルサーがないと考えられている矮銀河に注目しました。もし研究者が矮小銀河からガンマ線が降り注いでいるのを発見した場合、その観測は別の説明を排除し、WIMP の強力な証拠を提供することになるでしょう。
しかし、近くにある15個の矮星から得られた5年分の最高品質のデータでは、そのような信号は検出されていないとウッド氏らは報告している。 「矮小銀河は、銀河中心の信号を決定的に確認できる数少ない標的の1つです」とウッド氏は語った。 「この確認がなければ、銀河中心の過剰についての暗黒物質解釈の根拠は大幅に弱まります。」
天の川銀河の中心からの信号が暗黒物質から来ている可能性は依然として残っていますが、それは銀河内の暗黒物質の密度が研究者の推定値の上限にある場合に限ります。暗黒物質が十分に密度が高い場合、銀河中心からの信号を説明するために非常に高い速度で消滅する必要はありません。そして、暗黒物質が低い速度で消滅するのであれば、より拡散した矮星からの信号が見えなくても、研究者は驚かないはずです。
「現段階で、報告されている過剰を説明するために提案されている暗黒物質モデルのすべてを完全に除外するわけではありません」とウッド氏は述べた。
フーパー氏のモデルは、新たな矮小銀河発見の打撃にもかろうじて生き残ったようだが、動じないようで、銀河中心からの信号は、ガンマ線の噴出で消滅するWIMPの衝突から来ている可能性が高いという立場を維持している。 「そこに私のお金があるのです」と彼は3月にQuanta Magazineに語った。日本での会合で彼は、「それは大きな意味で変わっていない」と語った。
他の科学者たちは、今のところ、ガンマ線過剰の暗黒物質による説明がまだ実現可能であることに同意している。ブラウン大学の物理学者で、矮星からのガンマ線に関する別の最近の分析の共著者であるサブバス・コウシアパス氏は、「それはそのようなものです」と述べた。 「暗黒物質に関する解釈が存在しており、現時点では小人たちはそれを除外したり、肯定したりしていません。しかし、私たちはそれに近づいています。」
マサチューセッツ工科大学の物理学者で、銀河中心超過のモデルについてフーパー氏と共同研究しているトレイシー・スラティア氏は、新しい結果は「本当に励みになる」と感じていると述べた。
「もちろん、私は銀河中心の余剰が暗黒物質の消滅によってもたらされることを望んでいますが、どちらか一方の方法で知りたいと思っています」と彼女は言った。 「この結果により、近い将来に確実に分かる可能性が高まります。」
暗黒物質は WIMP で構成されている可能性が高いというパラダイムは、「WIMP の奇跡」、つまり同じ仮説上の粒子が宇宙と量子の両方の世界の謎を説明できる可能性があるという事実のために、物理学者の間で長い間支配されてきました。自然界の既知の粒子の多くとほぼ同じ質量を持つ WIMP は、明らかに誤った計算を機能させるような方法で、量子方程式におけるそれらの粒子の影響を打ち消します。そして、銀河の周りに WIMP のハローが存在するということは、銀河がその周辺で予想よりも速く回転している理由を説明することになるでしょう。これは、暗黒物質が存在するという最も説得力のある間接的な証拠です。
しかし、WIMP が深い疑問に対する洗練された解決策を示しているという事実は、それが本物であることを意味するものではありません。科学者たちは過去10年間、世界中の再利用された坑道の地下深くにある液体化学物質の超冷却タンクを監視し、WIMPが液体中を通過する際に時折エネルギーの痕跡を残すことを期待してきた。しかし、この調査では、説得力のあるシグナルは 1 つも得られませんでした。
実験がますます高感度になるにつれて、実行可能なすべての WIMP モデルの抽象空間が侵食され、スイス チーズのような外観が与えられます。残念な結果により、研究者はさらに創造性を発揮するようになりました。 「多くの人が WIMP パラダイムに熱心に取り組んでいますが、人々はより広い視野で考え始めています」とペンシルベニア大学の理論物理学教授、マーク トロッデンは述べています。
矮小銀河は、標準的な WIMP 画像の代替案をすでに生み出しています。暗黒物質粒子が（従来の WIMP モデルのように通常の物質とのみ「弱く相互作用する」のではなく）互いに相互作用できる場合、それらは衝突するときに熱を伝達します。 「熱を伝えると、中心の密度が低くなります」とプリンストン大学の天体物理学者、デビッド・スパーゲルは説明しました。彼は同僚のポール・スタインハートとともに、2000 年に初めて自己相互作用暗黒物質シナリオを提案しました。実際、天文学者らは、矮小銀河の中心の密度が、WIMP を使用した銀河形成のシミュレーションに基づいて予想されるよりも密度が低いことを観察しています。
自己相互作用する暗黒物質は科学者の間で関心が高まっていますが、現在のモデルの問題点を補う新しい性質を仮定することに誰もが抵抗を感じているわけではありません。
「私たちはこの目に見えない粒子をますます複雑にしているだけです」とペンシルバニア大学の理論物理学者ジャスティン・クーリーは言う。 「それについては悩んでいます。」
一方、ラトガース大学のアリソン・ブルックスらによる新しく改良されたシミュレーションは、シミュレーションに通常の粒子（私たちが実際に見ている全物質の7分の1だが、モデルでは単純化のために無視されることが多い）の影響を含めれば、結局のところ、暗黒物質の自己相互作用なしで矮小銀河を正しくモデル化できることを示唆している。星が超新星になると、熱いガスの泡が発生し、急速に膨張するとブルックス氏は説明した。 「このプロセスが銀河の中心にある暗黒物質にエネルギーを与え、それを押し出すことが判明しました。」
と彼女は言いました。ブルックス氏のシミュレーションは観測結果と一致していますが、他の主要なモデラーの中には、通常の物質の影響を取得して自身のシミュレーションの不一致を修正することができず、自己相互作用する暗黒物質への関心が高まっています。
議論を複雑にしているのは、暗黒物質粒子が自己相互作用する場合、ガンマ線のバーストによる接触によって消滅しないことを意味するという事実である。その場合、天の川銀河の中心からの信号は暗黒物質から来ているわけではありません。
「これがすべて活発で、矛盾していて、混乱しているように聞こえるなら、あなたの考えは正しいです」とスタインハルトは言いました。
コーリー氏は、暗黒物質はまったく粒子で構成されていない可能性があると仮定した最近の論文で、WIMPの写真から最も遠ざかっている。彼の理論は、重力の法則の変更を提案する修正ニュートン力学 (MOND) と呼ばれる古い考えを刷新します。クーリーの理論では、暗黒物質は空間に浸透する流体のような場であり、銀河の回転を変える形で銀河の重力場と相互作用します。
オランダのアムステルダム大学の理論物理学者であるエリック・バーリンデは、暗黒物質がまったく存在せず、銀河の回転速度が時空のエントロピー、つまり無秩序を反映するという、別の修正重力理論を提案しました。
現段階では、ある理論家の推測は別の理論家の推測と同じくらい正しいと思われます。
「暗黒物質には、本当にたくさんのことが考えられます」とトロッデン氏は語った。 「暗黒物質を生み出す可能性のある素粒子物理学 [モデル] を書き留める許可を与えていただければ、これまで考えられなかった 10 個のことを書き留めることができます。」どれが最も有望であるかについては、宇宙は教えてくれません。
訂正:この記事は、銀河中心のガンマ線過剰の暗黒物質解釈の状況に関するマシュー・ウッドの完全な引用を提示するために、2014 年 10 月 26 日に改訂されました。元の短縮された引用は、 ウッドの意図した意味を正確に伝えていません。
この記事は NationalGeographic.com に転載されました。
