ダークマター

概要

ダークマター（dark matter、暗黒物質）は、電磁波を放射・吸収せず、通常の観測機器では直接捉えられない未知の物質の総称である。宇宙の全質量エネルギーの約27%を占めると推算されており、通常の物質（バリオン）が約5%に過ぎないのに対し、宇宙の構造形成を支える主要成分である。

「暗黒」という名称は発光しないことを意味する——電磁波とは相互作用しないが、重力効果は確実に発揮する。銀河の回転速度、重力レンズ現象、宇宙の大規模構造はいずれもダークマターの存在なしには説明できない。

発見の経緯

1933年、スイスの天文学者フリッツ・ツヴィッキー（Fritz Zwicky, 1898–1974）がかみのけ座銀河団を観測し、可視質量から計算される速度よりも実際の銀河の運動速度が著しく大きいことを発見した。この「質量の不足」を補うために見えない物質の存在を初めて提唱したが、当時の科学コミュニティからは長らく黙殺された。

決定的な証拠は1970年代にもたらされた。アメリカの天文学者ヴェラ・ルービン（Vera Rubin, 1928–2016）とケント・フォードは、アンドロメダ銀河の回転曲線を精密に測定した。銀河の外縁部ほど回転速度が落ちるはずが、実際には外縁部でも速度がほぼ一定に保たれていた——この「フラットな回転曲線」は、銀河を取り巻く見えない物質のハローなしには説明できない。

ルービンの発見以降、重力レンズ効果（光の経路が大質量天体によって曲げられる現象）の解析や宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の精密観測が積み重なり、ダークマターの存在は現代宇宙論の標準モデル（ΛCDMモデル）の柱となった。

正体と探索

ダークマターの正体は2026年現在も未解明である。有力な候補として以下が挙げられている。

WIMP（Weakly Interacting Massive Particles）——弱い力と重力のみで相互作用する重粒子。超対称性理論が予言する粒子が対応するとされる
アクシオン——強い力のCP対称性問題を解決するために理論的に導入された極めて軽い粒子
原始ブラックホール——宇宙初期に形成された小さなブラックホール。重力波観測の進展とともに候補として再評価されている
ステライルニュートリノ——標準模型のニュートリノとは混合するが、通常の弱い相互作用をしない右巻きニュートリノ

世界各地の地下実験施設（LUX、XENON1T、PandaX等）がWIMPの直接検出を試みているが、いずれも現時点で検出には至っていない。欧州核研究機構（CERN）のLHCでも超対称性粒子の探索が続けられており、理論と観測の両面から候補の絞り込みが進んでいる。

Zwicky, F. “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110–127 (1933)
Rubin, V. C. & Ford, W. K. Jr. “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions.” The Astrophysical Journal, 159, 379–403 (1970)
Bertone, G., Hooper, D. & Silk, J. “Particle dark matter: Evidence, candidates and constraints.” Physics Reports, 405(5–6), 279–390 (2005)

概要

発見の経緯

正体と探索

現代への示唆

1. 「見えないもの」が構造を決める

2. 間接証拠による推論

3. 観測事実の無視がもたらすコスト

関連する概念

参考