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宇宙空間に存在する物質(および暗黒物質)の新しい地図が完成

宇宙にはたくさんの物質が存在するが、そのすべてが私たちの目に見えるわけではない。物質とは、基本的に質量を持ち、空間を占めるものすべてを指す。私たちや惑星、星、星雲、銀河なども含まれる。また、暗黒物質も含まれる。すべて宇宙空間に広がっているのだ。

しかし、物質が均一に分布しているのか、それとも塊になっているのか。あるいは、他の構成になっているのだろうか?このような疑問を解決するために、天文学者は物質の分布図を作成し、宇宙の理論的なモデルと比較する。では、どのように行うのだろうか?それには、まず、望遠鏡を作り、それを使って観測を行い、観測可能な宇宙に関する膨大なデータを集めることから始まる。物質分布の測定には、宇宙の遠方からの微弱な信号を検出する特殊な装置が必要なのだ。

シカゴ大学とフェルミ国立加速器研究所の研究チームは、2種類の望遠鏡と「プランク」と呼ばれる宇宙観測装置のデータを用いて、宇宙における物質の最新マップを作成した。その結果、宇宙における物質は、モデルが予測するほどには塊状になっていないことが判明した。つまり、完全に均等に広がっているわけではなく、ある領域に集中しているのだ。これはあまり正確な情報ではないが、私たちの宇宙を構成するすべての「物質」の分布を知る上で大きな前進と言える。

宇宙における物質の歴史

物質の分布の物語は、約137億年前のビッグバンの瞬間に始まった。その瞬間、すべての物質が誕生したのだ。それ以来、宇宙が膨張するにつれて、物質はどんどん広がっていった。その際、物質は冷えて固まりやすくなる。そのため、宇宙は必ずしもスムーズに広がっているわけではない。このことは、今日の銀河団や超銀河団のような大規模な集合体にも表れている。

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プランク計画による全天マップは、地球から見た観測可能な宇宙の果てまでの物質を示している。質量の少ない領域は明るく、質量の多い領域は暗く表示される。(Credit: ESA/Planck Mission)

天文学者は、初期宇宙における分布の「固まり」を検出することも出来る。これは、マイクロ波背景放射の揺らぎを調べることによって行われる。マイクロ波背景放射は、ビッグバンからの非常に微弱な光で、スペクトルのマイクロ波部分に赤方偏移したものだ。プランク計画では、このマイクロ波背景放射の温度変化を測定したが、完全に滑らかで均一なものではなかった。この光は、宇宙がまだ高温でプラズマに満ちていて光が伝わらない「宇宙の暗黒時代」以降に初めて放射されたものだ。この光は、宇宙がまだ熱くプラズマで満たされていて光が伝わらない「宇宙の暗黒時代」の後に初めて発せられた光だ。

時が経ち、宇宙が膨張と冷却を続け、物質が固まり始めると、そのゆらぎは物質の重力に引っ張られて密度を増し、質量も大きくなっていった。やがて、最初の星や銀河などの構造物が誕生した。このように、宇宙の初期から現在のような豊かな姿に至るまでの物質分布の変遷は、その分布が時間とともにどのように変化したのかという疑問を抱かせるものだ。

物質が地図に載るまで

研究チームは、2つの主要な望遠鏡による宇宙探査のデータを組み合わせて、この結果を得た。ひとつは「ダークエネルギーサーベイ」。これは、宇宙を貫く目に見えない謎の暗黒物質の存在と分布をマッピングするものだ。もうひとつは、南極望遠鏡によるもので、宇宙が誕生した瞬間に放出された微弱な放射線の痕跡を探す。さらに研究チームは、ビッグバンからの宇宙背景放射を研究するプランク・ミッションのデータも使用した。

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今回発表された宇宙の全物質に関する調査は、チリのダークエネルギーサーベイ(上)と南極望遠鏡で撮影されたデータを使用している。(Credit: Andreas Papadopoulos.)

重力レンズとは、光が重力場のある空間を通過するときに曲げられる現象である。重力レンズには、銀河や暗黒物質が集積している領域が含まれる。どちらも、より遠くにある天体や宇宙初期の出来事からの光の経路を大きく歪めることになる。この2つの調査のデータを組み合わせることで、通常の物質と暗黒物質の存在を明らかにすることができるのだ。

さらに、2つの異なる方法を組み合わせることで、1つの方法でエラーが発生しても、調査全体が狂ってしまう可能性を低くすることが出来るのだ。シカゴ大学の天体物理学者であるChihway Chang氏は、「これはクロスチェックのようなもので、どちらか一方だけを使った場合よりも、はるかに強固な測定になります」と述べている。

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ダークエネルギーサーベイ望遠鏡(左)と、南極望遠鏡やプランク衛星(右)のデータを比較することで、物質がどのように分布しているかを推測することができたのだ。 (Credit: Yuuki Omori)

その意味するところ

両調査のデータを分析することで、科学者たちは宇宙のすべての物質が今どこにあるのかを推測することが出来た。この結果は、現在最も有力とされている宇宙論と完全に一致した。しかし、なぜそのような場所に物質があるのかを完全に理解したわけではない。

実は、ちょっとした問題があるのだ。ハワイ大学の宇宙物理学者Eric Baxter氏は、「現在の宇宙には、初期宇宙に固定された標準的な宇宙論モデルで予測されるよりも、わずかに揺らぎが少ないように思われます」と、述べている。彼が言うゆらぎとは、物質分布の「かたまり」のことである。宇宙を支配するすべての物理法則を考慮に入れて、ビッグバンの最初の瞬間から現在に至るまで外挿すると、宇宙は現在私たちに見えている実際の姿とは少し違って見えるはずだ。

これは大きな問題ではないように思えるが、天文学者が見つけなければならない、既存の宇宙モデルに欠けているものがあることを意味しているのかも知れない。それでも、この2つの調査は、物質が今どこにあるのかを示すだけでなく、天文学者がこのような調査を行う方法に変化をもたらすものでもあるのだ。「私はこの研究が、このような分析を行うことの難しさと利点の両方を示していると思います」と、Chang氏は言う。「このような異なる角度から宇宙を見ることを組み合わせると、たくさんの新しいことができるようになるのです。」


この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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