ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はダークマターの1つの理論を直接検証できる

masapoco
投稿日 2024年2月12日 10:55
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銀河とダークマターについてはどうなのだろう?すべての銀河とは言わないまでも、ほとんどの銀河は、この謎めいた未知の、しかしどこにでもある物質のハローに囲まれている。そして、ダークマターは銀河形成にも関与している。その役割の性質は、天文学者たちがまだ解明していない。今日、天文学者たちは、最も小さくて明るい銀河を探すために、生まれたばかりの宇宙を捜索している。それは、銀河形成におけるダークマターの役割について語る上で、ダークマターが役立つ可能性があるからだ。

UCLAのSmadar Naoz氏が率いる天文学者の国際チームは、初期の銀河形成のシミュレーションを行っている。彼らのコンピューター・プログラムは、ビッグバンから間もない頃の銀河誕生の状況を追跡している。この “出来立てほやほや”のコンピュータ・モデルには、いくつかの新しい特徴がある。ダークマターと宇宙の原初的な「物質」との間の、これまで無視されてきた相互作用を考慮に入れているのだ。それは水素とヘリウムのガスである。シミュレーションの結果、小さな明るい銀河が、そのような運動を含まないコンピューターモデルよりも早く形成された。天文学者たちは、ダークマターの理論が正しいかどうかを確かめるために、JWSTを使って銀河を見つける必要がある。

超音速バリオン物質とダークマターの相互作用

バリオン物質とダークマターの相互作用は、どのような違いを生むのだろうか?宇宙初期において、ガスの雲は超音速でダークマターの塊を通り過ぎた。ガス雲はダークマターの塊を超音速で通過し、ダークマターに跳ね返された。やがて数百万年後、ガス状の物質が再び集まり、星が誕生した。研究チームのシミュレーションは、ビッグバン直後の銀河の形成を追跡している。

Naoz氏の研究チームは、より小さく、より明るく、より遠くにある銀河の存在が、いわゆる「冷たいダークマター(cold dark matter: CDM)」モデルを裏付ける可能性があると考えている。このモデルは、宇宙がビッグバンの後、気体だけを含む高温高密度の状態にあったことを示唆している。そして時が経つにつれて、銀河(そして最終的には銀河団)の塊のような分布へと進化した。その過程で星や銀河が形成されたが、最も初期の段階は、ダークマターとの重力相互作用に依存していた可能性が高い。もしNaoz氏のチームがモデル化した超音速相互作用が実際に起こったとしたら、あの小さな銀河はその結果だろう。

銀河形成とダークマターの影響のシミュレーション

JWSTはその運用期間中、かなり初期の銀河をいくつか見てきた。最も初期の銀河はまだ検出されていない。しかし、JWSTが提供した画像は、それ以前の時代に存在したかもしれないものを示唆するものであり、ダークマターの役割についての洞察を与える可能性がある。そのため、天文学者たちができる限り過去にさかのぼって観測を進めたいと考えるのは理にかなっている。そしてそれは、ビッグバンの数億年後に存在した明るい光のパッチを探すことを意味する。

「初期の宇宙で小さくて明るい銀河のパッチが発見されれば、我々が冷たいダークマターモデルで正しい軌道に乗っていることが確認されるでしょう。なぜなら、2種類の物質間の速度だけが我々が探している種類の銀河を作り出すことができるからです。もし、ダークマターが標準的な冷たいダークマターのように振る舞わず、ストリーミング効果が存在しないのであれば、これらの明るい矮小銀河は発見されず、振り出しに戻る必要があります」と、Naoz氏は述べている

チームメンバーで筆頭著者のClaire Williamsによる論文(『Astrophysical Journal Letters』誌に掲載)の中で、チームはJWSTを使う科学者たちに、予想よりもずっと明るい銀河を探し始めるよう提案している。もしそれが見つかれば、宇宙世紀の初期に相互作用が起こったことが証明されるだろう。もし見つからなければ、科学者たちはダークマターの相互作用をまだ理解していないことになる。もしダークマターが存在するのなら、どのようにしてこんなに早く形成されたのか、そしてなぜこんなに明るいのか、というのが大きな疑問である。

ダークマター回廊の流れ

ダークマターの役割を見てみよう。標準的な宇宙論モデルでは、宇宙初期にダークマターの塊の重力が普通の物質を引き寄せたとされている。やがてそれが星を生み、銀河が生まれた。ダークマターは光よりもゆっくりと動くと考えられている。そのため天文学者たちは、星や銀河の形成過程は非常にゆっくりとしたものだと予測していた。少なくとも、以前のシミュレーションではそうだった。

しかし、130億年以上前に何か別のことが起こっていたとしたらどうだろう?その場合、事態はどう変わるのだろうか?最初の銀河が形成される前の時代だ。しかし、膨張する宇宙の中を、水素とヘリウムのガスが大量に流れ込んでいた時代である。ダークマターと呼ばれる、より遅い速度で運動する物質の塊にぶつかり、少なくとも一時的にはダークマターの重力に打ち勝った。その後、ダークマターの影響を受けて、バリオン物質が再び集まった。そのとき、星誕生の花火が始まったのだ。

「ストリーミングは小さな銀河での星形成を抑制する一方で、矮小銀河での星形成を促進し、宇宙のストリーミングのない部分を凌駕するようになりました」と、Williams氏は述べている。基本的に、蓄積されたガスは数百万年後に一緒に落ち始めました。それが星形成の大バーストを引き起こしたのだ。熱くて若い大量の星が輝き始め、他の小さな銀河の星を凌駕した。結局のところ、ダークマターは「見る」ことが不可能なので、明るく輝く銀河の斑点は、ダークマターの存在を示す間接的な証拠になるということだ。そして、ダークマターが銀河の創造に果たした役割を証明することになる。

明るいパッチを見つける

Naoz氏と研究チームが探しているものは、まだ誰も正確に見ていない。しかし、それが見つかれば、冷たいダークマターの役割を解明する手がかりになるだろう。「宇宙初期に小さくて明るい銀河のパッチが発見されれば、我々が探しているような銀河は、2種類の物質の間の速度でしか生まれないので、我々が冷たいダークマターモデルで正しい道を歩んでいることが確認されるでしょう」と、Naoz氏は言う。

もちろん、JWSTはこれらの銀河を見るのに最適な望遠鏡である。JWSTは、小さな銀河が天文学者の予想以上に明るい宇宙の領域を覗き見ることができるはずだ。この極端な明るさは、JWSTが銀河を発見するのに役立ち、宇宙が誕生してまだ数億年しか経っていない頃の姿を映し出すだろう。ダークマターを直接研究することは不可能であるため、宇宙初期の明るい銀河のパッチを探すことは、ダークマターに関する理論や、最初の銀河を形成するダークマターの役割について効果的なテストを提供することができる。


論文

参考文献

研究の要旨

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、ダークマターとバリオン過剰密度間の超音速相対運動が構造形成を変調する宇宙の極初期(z ≳ 10)を探査することができる。我々は、この「ストリーム速度」を含む低質量銀河形成について、高解像度のAREPO流体力学シミュレーションを用いて研究し、非常に暗い低質量銀河 (MUV ≳ −15, 104M ≤ M* ≤ 108M)までの紫外線ルミノシティ関数(UVLF)と銀河恒星質量関数の理論的予測を示す。流速は全体的には初期の星形成を抑制するが、いくつかの大きな矮星では短期間の急速な星形成を引き起こし、z = 12でUVLFの暗い領域が増強されることを示す。JWSTの観測がこの増強領域に近いことを示し、UVLFがJWSTや将来の観測装置にとって、高赤方偏移における流線速度の重要なプローブとなる可能性を提案する。


この記事は、CAROLYN COLLINS PETERSEN氏によって執筆され、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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