欧州宇宙機関（ESA）のユークリッド・ミッションは、7月1日にSpaceX社のFalcon9ロケットで宇宙に打ち上げられた。このミッションに携わってきた私たちの多くは、フロリダでこの釘付けになるイベントを見守った。
このミッションは、宇宙のエネルギー密度の95％を占めると考えられている未知の物質である「ダークマター」と「ダークエネルギー」の両方を探査し、暗黒宇宙を研究するために特別に設計されている。
また、重力に関する奇妙な代替モデルをテストすることも可能で、Albert Einsteinの偉大な一般相対性理論に挑戦する可能性もある。
科学者たちは、ダークマターの存在を1世紀近く前から知っていた。ダークマターが提唱されたのは、銀河団の中の銀河が不思議なほど高速であることに天文学者が気づいたことがきっかけだった。そのような速度では、銀河団を支えている余分な質量がない限り、銀河団は蒸発してしまうはずである。この物質が目に見える銀河と同じように輝いていなかったため、ダークマター（暗黒物質）と呼ばれるようになった。
重力レンズは、このダークマターを見るための新しいツールである。この効果は、一般相対性理論の理解に依存している。光が遠くの銀河から私たちに届くとき、その光路は前景にある大きな物質の塊（暗いもの、明るいもの）によって曲げられ、その姿（と位置）を変える。
この変化は、大質量銀河団の中心付近で簡単に見られる（下の画像参照）。円弧状に引き伸ばされた銀河は、細長く湾曲して見える。このゆがみを利用して、前景の銀河団に含まれる物質の量を決定することができる。そしてこのことは、これらの銀河団の質量の多くが実際にダークマターであることを再び裏付ける。
しかし、それは何でできているのだろうか？多くの物理学者は未知の素粒子だと考えている。まだ検出されていないが、有力な候補はアクシオンである。アクシオンはもともと、自然のある種の基本的な対称性が壊れて見える理由を説明するために導入された。
しかし、他の可能性もある。ダークマターの必要性を仮定するのではなく、重力を探ることができる。銀河やそれ以上のスケールでは、重力の強さは予測よりも弱くなるかもしれない。このようなスケールでは、ダークマターがないと仮定しなくても銀河の自転曲線を説明できるような重力の代替モデルがいくつか存在する。これらの代替モデルの課題は、すべてのスケールで一貫して説明できるようにすることである。
ダークマターの粒子を地球から探す研究はいくつかあるが、今のところ重要な証拠は見つかっていない。したがって、銀河団の天文学的観測は、ダークマターを説明できるさまざまな理論を検証するための最良の選択肢であり続けている。ユークリッドの優れた解像度は、空の3分の1にわたってハッブル宇宙望遠鏡（画像参照）に匹敵するシャープさを提供する。これに対し、ハッブル宇宙望遠鏡は全天の5％しか観測していない。
ユークリッドによって得られる星団の画像数は100倍に増え、そのような星団内の暗黒物質の分布を高精度で詳しく調べることができる。暗黒物質がどのように分布しているかが、その起源と質量の鍵を握っている可能性があり、その過程でさまざまな候補粒子や重力理論が除外される。
ダークエネルギーと重力
宇宙の膨張が加速しているという発見を説明するために提案されたもので、Einsteinの重力理論による予測とは食い違う。この奇妙な物質は物理学者や宇宙論者を悩ませており、最も単純な考え方は、ダークエネルギーは単なる空の空間のエネルギー（「真空エネルギー」）であるというものだ。
基本的には、膨張する宇宙で空間が広がれば広がるほど、真空エネルギーが増え、それが観測される加速度の原動力となる。
この単純な説明は、観測されたダークエネルギーの密度が、宇宙を最小のスケールで支配する量子論が予測した密度よりも何桁も低いという不快な事実を除けば、合理的である。要するに、この単純な説明は、答えよりも多くの疑問を投げかけているのである。
ダークマターと同様に、ダークエネルギーの別の説明としては、ダークエネルギーは実際には物質でもエネルギーの形でもなく、重力が最も大きなスケールで異なる振る舞いをする兆候であるというものがある。
このため、重力理論を一般相対性理論の枠を超えて拡張する新しいアイデアが次々と生まれている。例えば、重力は宇宙の他の部分が経験する4次元（3つの空間次元と時間）以外にも存在しうるのだろうか？重力と相互作用する、我々がまだ知らない新しい基本的な場が存在するのだろうか？
あるいは、Einsteinの理論は、私たちが地球上で経験するような弱い重力場では有効だが、ブラックホールの事象の地平面付近のような極めて強い重力場では根本的に違ってくるのかもしれない。
これらすべての代替重力モデルの課題は、ダークマターとダークエネルギーの両方について共に機能することである。理想的には、単一の理論として、すべてのスケールと質量で機能することである。物理学者は「オッカムの剃刀」を強く信じている。
ユークリッドは、宇宙の広大な領域にわたる何百万もの銀河の位置をマッピングすることによって、これらのエキゾチックな重力モデルを検証するのに役立つ。これによって、宇宙空間のフィラメントと空隙からなるスポンジのような構造である「宇宙の網」をたどることができる。これらは、まず暗黒物質が敷き詰められ、それから銀河が散りばめられているようだ。
この宇宙の網は、数十億年にわたる重力崩壊によって形成されており、その構造と統計は、宇宙論的スケールで働く重力の法則に敏感であることを意味している。その性質を測定することで、新しい重力理論がアインシュタインの理論よりもデータに合うかどうかを判断することができる。
地球に戻ると、ユークリッドが何をするのか、天体物理学のコミュニティでは大いに盛り上がっている。ダークマターとダークエネルギーのマッピングに特化した衛星は今回が初めてだ。
ユークリッドのデータは一生ものであり、何世代もの宇宙論者がその研究にキャリアを費やすことになるだろう。ユークリッドがフロリダの空に打ち上がるのを見守りながら、私たちは科学における最も基本的な疑問の答えに一歩近づくだろう。
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