宇宙にはどれだけの「物質」があるのだろうか？それを解明するのは簡単だと思うだろう。しかし、そうではない。天文学者たちは、自分たちが検出できるものを合計してもなお、宇宙には自分たちが見ている以上のものがあることを発見する。では、何が「そこにある」のか、そしてどうやってそのすべてを説明するのか？

天文学者のMohamed Abdullah氏（エジプト国立天文地球物理学研究所および千葉大学）によれば、宇宙にはダークマター（暗黒物質）と可視物質が存在する。だが物質は既知の宇宙の31パーセントしか占めていない。残りはダークエネルギーであり、未知の部分が多い。「宇宙論者は、恒星、銀河、原子、生命を含む通常の物質、すなわち “バリオン”物質は、全体の約20％しかないと考えている。（全物質の）約80％は暗黒物質でできており、その神秘的な性質はまだわかっていないが、まだ発見されていない素粒子でできている可能性がある」と、Abdullah氏は述べている。

銀河団を使って宇宙の構成を決定する

プランク衛星は宇宙をマッピングし、約138億年前のビッグバンの残骸である宇宙マイクロ波背景放射（CMB)を研究した。プランク衛星の測定によって、天文学者は宇宙の全物質の “ゴールドスタンダード”となる測定値を導き出すことができた。しかし、他の方法でプランクと比較することは常に良いことである。

Abdullah氏と研究チームはそれを実行した。彼らは「銀河団の質量-リッチネス関係」と呼ばれる別の方法を使った。これは基本的に、銀河団に属する銀河の数を測定し、銀河団の質量を決定するものである。天文学者でありチームのメンバーでもあるGillian Wilson氏によれば、これは宇宙物質を測定する方法を提供するものだという。現在の銀河団は、何十億年もの間、自身の重力によって崩壊した物質から形成されているため、現在観測されている銀河団の数、いわゆる“銀河団の存在量”は、宇宙論的条件、特に物質の総量に非常に敏感である。

銀河団の質量を正確に測定するのは難しいので、簡単な方法ではない。銀河団の質量の多くは暗黒物質である。つまり、銀河団の中に見えるものが必ずしもすべてではないのだ。そこで研究チームは知恵を絞った。質量が大きい星団ほど、質量が小さい星団よりも多くの銀河を含んでいるという事実を利用したのだ。すべての銀河には明るい星があるので、各銀河団に含まれる銀河の数から総質量を推定するのだ。基本的に、研究チームはサンプル中の各銀河団に含まれる銀河の数を測定し、その情報を使って各銀河団の総質量を推定した。

プランクとの一致

すべての測定とシミュレーションの結果、宇宙の質量に関するプランクの数値とほぼ正確に一致した。その結果、宇宙は31％が物質、69％がダークエネルギーであることがわかった。これは、研究チームが銀河の質量を測定するために行った他の研究結果とも一致しているようだ。この結果を得るために、Abdullah氏のチームは銀河団の分光学的研究を使って銀河団の距離を決定することができた。また、この観測によって、どの銀河が特定の銀河団のメンバーであるかがわかった。

シミュレーションもまた、この研究にとって重要だった。スローン・デジタル・スカイ・サーヴェイの観測によって、研究チームは “GalWeight”と呼ばれる銀河団カタログを作成した。そして、このカタログの銀河団とシミュレーションを比較した。その結果、「質量リッチネス関係」に基づいて宇宙の全物質量が計算された。

この技法は、さまざまな観測装置から新しい天文データが送られてきたときにも使えるように、十分に頑強である。Willson氏によれば、このチームの研究は、MRRの手法が彼らの研究の枠を超えたものであることを示している。「MRR技術は、ダークエネルギーサーベイ、ダークエネルギー分光装置、ユークリッド望遠鏡、eROSITA望遠鏡、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような、大規模で広視野・深視野の撮像・分光銀河サーベイから得られる新しいデータセットに適用することができます」。

この結果はまた、クラスターの存在量が宇宙論的パラメーターを制約するための有力な手法であることを示している。これは、クラスターに焦点を当てていない手法も補完する。例えば、CMB異方性、バリオン音響振動、Ia型超新星、重力レンズなどである。これらもそれぞれ、宇宙の様々な特徴を測定する上で有用なツールである。

論文

• arXiv: Constraining Cosmological Parameters using the Cluster Mass-Richness Relation

参考文献

• University of California, Merced: Most of the Universe Composed of Dark Energy, Researchers Show

研究の要旨

クラスターの質量リッチネス関係（MRR）は、宇宙の平均物質密度と揺らぎの振幅を、クラスター存在量法を用いて制約するための、観測的に効率的で潜在的に強力な宇宙論的ツールである。我々は、Sloan Digital Sky Survey-DR13の分光データセットから作成したGalWCat19という一般公開されている銀河団カタログを用いて、MRR関係を導出した。MRRは低リッチネス側に尾を引く。Illustris-TNGとmini-Uchuuの宇宙論的数値シミュレーションを用いて、このテールが系統的な不確かさによって引き起こされていることを示す。Hinge関数を用いた適切なカットにより、MRRが線形になるリッチネス閾値を決定することが可能であることを示す。我々はこのMRRを導出し、その傾きがβ〜1で両方のシミュレーションと一致することを示す。オールメンバーMRRを用いると、omega_m = 0.31 (+0.04-0.03)、sigma_8 = 0.82 (+0.05-0.04)、レッドメンバーMRRを用いると、omega_m = 0.31 (+0.04-0.03)、sigma_8 = 0.81 (+0.05-0.04)となる。omega_mとsigma_8に対する我々の制約は、プランク2018の結果と一致し、非常に競争的である。

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。