ダークマター重力宇宙論天体物理学

2000年3月17日金曜日『ルモンド』紙の記事再録

もしダークマターが光の経路を曲げるのであれば、それは確かに存在するということである。

遠方の銀河の画像が歪んでいることから、目に見えない巨大な物体の存在が証明された。数十年にわたり、天文学者たちは宇宙の物質の90％を占めるというダークマターの存在を明らかにしようと努力してきた。この観測できない物質の性質を説明するため、さまざまな仮説が提示されてきた。質量の大きな物体（褐矮星など）や素粒子（ニュートリノなど）がその候補である。しかし、それらの仮説はすべて、実際の観測と一致しなかった。そのため、この物質はまだ発見されていない理論的な素粒子で構成されている可能性が考えられている。天文学者たちは断言する。「宇宙の90％の物質は、私たちの望遠鏡の視野から逃げている。」写真に映るのは、銀河やその構成要素である数十億の星、空を彩る暗黒星雲や明るい星雲、そしてその生成メカニズムが完全には理解されていない巨大なエネルギーの閃光だけである。技術の進歩により、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線といった新しい観測窓が開かれた。最近では、ニュートリノという一瞬で消えてしまう粒子の天文学が開かれ、宇宙の質量に大きく寄与している可能性がある。しかし理論家たちは、それでも宇宙の大部分が天文学者の観測範囲外にあることをよく知っている。彼らが得られるのは、全体の10％にすぎない限られた実験領域である。そのために、長年にわたり、宇宙の主要構成要素であるこの有名なダークマターの存在を明らかにしようと努力してきたのである。パリ天文物理研究所の研究チームが、フランスの天文学者（CEAサクレー、カナダ・フランス・ハワイ望遠鏡（CFHT）、マルセイユ宇宙天文台）および海外の研究者（カナダ、ドイツ、アメリカ）と共同で、この世界への新たな窓を開いた。この成果は、リチャード・エリス（ケンブリッジ大学・カリフォルニア工科大学）率いる英国チームと、タイソン（ベル研究所、ニュージャージー）率いるアメリカチームによって部分的に確認された。

研究者はどのようにして目に見えないものを克服し、このダークマターの存在を確認したのか。それは、巨大な質量（太陽、銀河団など）の近くでは光が重力の影響で曲がるという原理を利用したからである。この仮説は何度も検証されてきた。しかし、天文学者たちは、密度が低く、広範囲にわたって存在するはずのダークマターでも同様の効果が観測可能かどうか疑問を呈した。もしそうであれば、この暗黒物質は見えないままに、その存在を露呈するのである。「宇宙的な乱視」とも呼ばれる。1991年、パリ天文物理研究所のヤニック・メリエは、「理論は、遠方の銀河などの物体が、その光の経路上に巨大なダークマターの質量がある場合、わずかに歪み、長楕円形の形に見えると予測していた。しかし、この宇宙的乱視効果は、計算上あまりにも微弱すぎて、検出することは不可能に近いとされていた。」さらに、当時、仮に測定が可能になったとしても、それを検証する理論モデルがなく、またそれを実現するのに十分な性能を持つカメラもなかった。それ以来、CFH 12Kカメラが開発され、カナダ人のルドヴィック・ヴァン・ワーベーケがこの研究に適したデータ処理ツールを開発した。カナダ・フランス・ハワイ望遠鏡で撮影された約20万個の遠方銀河を5年間分析した結果、研究者たちはついに目的を達成した。CFHTが撮影した天の川の背景画像に、適切な処理を施した後、水色の小さな楕円が何百もの形で現れる。これらはすべて銀河である。この現象が、銀河から発せられた光に重力効果が及んでいることの証拠と見なせるだろうか。「確かにそうである」と、ヤニック・メリエは答える。「光の経路上に物質がなければ、つまり重力効果がなければ、楕円銀河も小さな丸い点として見える。しかし、重力効果がある場合には、画像全体に小さな楕円が広がる。さらに、重力効果は銀河の配置を整える傾向がある。まるで磁石が磁場の線に沿って鉄粉を整えるようにである。」

未知の素粒子。こうした目には見えない歪みや銀河の再配置が、光が広がる空間に存在する、目に見えない微弱な物質のフィラメントによって軌道が曲げられたことを示している。この物質は太陽や銀河団のように密度が高くないが、その広がりが非常に大きい（1億～10億パーセク。1パーセクは3.36光年）ため、その効果は感知可能である。比較のために、私たちの銀河の最大径は3万4千パーセクにすぎない。フランスチームがコンピュータ上で再構成した3次元モデルでは、その効果は非常に顕著である。私たちに届くまでの光は、空間を占めるこれらのフィラメントの近くで常に方向を変えている。まるで、空間に広がるグリュイエールのような構造である。この構造は、宇宙の歴史を語り、その形成に際しての初期条件を明らかにしている。なぜなら、私たちの目には見えないダークマターは、星や私たち自身が構成されている物質（バリオン）とは異なる性質を持っているからである。理論家たちによれば、これはまだ発見されていない素粒子——弱い相互作用粒子（WIMPs）、アキソン、超対称性粒子など——で構成されている可能性がある。新たな扉がようやく開かれた。天文学者たちは、今後2年以内にCFHTに設置される、4倍も大きなカメラ「メガカム」（CEAサクレー開発）を用いて、この扉を駆け込むだろう。さらに遠い将来には、直径1メートルの望遠鏡を100台ほど連携させるネットワークの構築や、爆発的な星（超新星）に特化したアメリカの衛星「スナップサット」の打ち上げも検討されている。この衛星は、ダークマターの効果を追跡することも可能である。

ジャン＝フランソワ・オジェロ