暗黒物質 宇宙のエネルギー
2001年6月25日～29日
国際会議
物質はどこにあるのか？
2001年6月25日から29日まで、マルセイユで国際会議が開催され、200名の参加者が集まり、そのテーマは「物質はどこにあるのか？」であった。また、副題として以下が掲げられた：
新世代の大規模天体調査による明るい物質と暗黒物質の追跡
翻訳：
新世代の大規模天体調査を用いた明るい物質と暗黒物質のマッピング。
これらの言葉は極めて重要である。それらは、この会議が特定のパラダイムの中に位置づけられていることを示している。すなわち、宇宙は一つであり、その中には観測可能な物質と、現在の観測手段では捉えられない物質という二つの成分が存在すると仮定している。観測可能な物質とは、可視光、紫外線、赤外線など、電磁波に基づく観測が可能な範囲の物質を指す。一方、観測できない物質は「暗黒物質」という一般的な用語で表現され、英語では「Dark Matter」と呼ばれる。この暗黒物質をどのように観測し、どのようにマッピングするのか？その方法として、まず重力レンズ効果の観測がある。一般的に、この効果は可視物質（銀河や銀河団）の存在だけでは説明できないほど強すぎる。もう一つの方法は、観測対象の運動学的パラメータに着目することである。
重力レンズ効果が「異常に強い」として明らかになる以前から、フリッツ・ツヴィッキーのような研究者たちは、銀河の回転曲線の解析や銀河団内の銀河の運動速度の測定に基づいて、観測可能な物質だけではこれらの集合体の安定性を説明できないと結論づけていた。回転曲線とは、銀河内の星間ガスが重力場内で軌道を描く際の速度をドップラー・フィゾー効果によって測定したものである。このガスは明らかに速く回転しており、特に周辺部では「プラトー」と呼ばれる特徴的な速度一定領域が観測される。銀河団は、銀河が「分子」である「ガスの塊」として扱われる。天文学者が「固有速度」と呼ぶ銀河の速度は、ガス分子の熱運動速度に相当する。これらの速度は、空間のあらゆる方向にランダムに分布している。このガスの類似性を保ったまま、熱運動速度と密度の組み合わせは「圧力」として定義される（これは単位体積あたりの運動エネルギー密度の測度である）。星間ガスの塊は、圧力が拡散を引き起こすのに対し、重力がそれを打ち消すことで崩壊せずに保たれている。もし1000個の銀河からなる銀河団を一種のガス塊と見なすならば、銀河の運動速度と観測された質量から計算される圧力は、重力によって打ち消されるには大きすぎる。逆に言えば、銀河団の質量がわかれば、脱出速度を計算できる。ツヴィッキーが指摘したように、銀河の個々の速度は、それらが属する銀河団の脱出速度を上回っている。もし追加の力が働いていなければ、これらの銀河はすでに銀河団から離脱しているはずである。銀河内の星についても同様の問題が生じる。したがって、この問題は現実のものである。問題は、この現象に対する解釈にある。
現在、天文学者たちの間で一致している答えは「暗黒物質」という名前である。しかし、その「暗黒物質」の性質が何であるかを示す者は誰もいない。しかし、観測された効果が、現在観測されていないが正の質量を持つ成分の存在に由来するものではないという疑念は、誰も持っていない。この文脈において、「見えない物質のマッピング」の研究はすでに始まっている。当初は、「この銀河団が崩壊しないようにするには、質量Mが存在しなければならない」という単純な仮定にとどまっていた。あるいは、同じことだが、強力な重力レンズ効果（複数像、背景銀河の歪み、弧状の歪みなど）を説明するためには、そのような質量が必要であるとされた。その後、マセイユ天文物理研究所に所属するアルベルト・ボスマらの宇宙物理学者たちは、観測された回転曲線に合うように、性質の定かでない「暗黒物質のハロー」を実験的に導入した。これは「回転曲線のフィッティング」と呼ばれる、観測値に合うように速度の法則を再現するための経験的手法である。現在、多くの研究者がこの観測的にマッピングされた「暗黒物質ハロー」内の物質分布を計算することに専念している。これを「ゼロ次理論」と呼ぶ。この活動は、特別な専門知識を必要とせず、純粋に技術的なものである。こうした研究者は、マッピング対象の「暗黒物質」の性質についての手がかりを提供しようとしているわけではなく、ましてやその物質が銀河内に存在する原因となったプロセスについての示唆を示すことはない。その成分の性質も起源も不明である以上、「銀河の力学」を構築することは当然不可能である。この会議において、アメリカの研究者が「冷たい暗黒物質（cold dark matter, CDM）」を基に銀河形成を記述しようとするモデルについて報告していた。これらのモデルは、当然ながらニュートンの法則と巨大なコンピュータに依拠している。しかし、初期条件をどのように設定しても、形成された「原始銀河」の角運動量は著しく小さすぎる。したがって、「新理論家たち」（ニュートンの法則＋巨大コンピュータ）が提起した問題の一つは、「銀河の角運動量はどこから来るのか？」という問いであった。これは、マッピングやシミュレーションの試みのいずれにおいても、「ゼロ次理論」のレベルに留まっている。
1999年以降、ヤンニック・メリエ、フォールトらの宇宙物理学者たちが、世界中の数チーム（約半ダース）が参加する大規模なプロジェクトの成果を6年間の作業の末に発表した。もし宇宙に暗黒物質が存在する、特に銀河団に存在するならば、それは重力レンズ効果を引き起こすだろう。極端な場合、ハッブル宇宙望遠鏡が見せてくれたように、背景にある物体がカレイドスコープのように複数の像に分裂し、重力レンズによって弧状の歪みを生じる。したがって、暗黒物質の濃度が小さい場合、銀河の画像に単なる歪みが生じ、その形状に追加の楕円度が加わる。これは単なる光学効果であり、銀河の実際の楕円度と重なり合う。メリエ、フォールト、そして彼らに続く研究者たちは、画像処理のための手法を開発した。その手法では、コンピュータが画像の局所的な非一様性を検出する（重力レンズ効果がなければ、銀河の楕円形画像の長軸はランダムに分布しているはずであるという仮定に基づいて）。