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[[宇宙の不思議・いのちの不思議]   第10号 


[宇宙の不思議・いのちの不思議]   第10号 

第1章 宇宙の不思議

[1-8] ダークマターの不思議

1.ダークマターの存在理由

宇宙には、未知の物質が大量に存在していると考えられています。未知の物質なので「ダークマター」(暗黒物質)と呼ばれています。

銀河や銀河団の動きを詳細に観測すると、ダークマターを想定しない限り説明できない現象が複数あるからです。

(1)太陽系の惑星の公転速度は、太陽に近い惑星(水星、金星など)は速く、遠い惑星(天王星、海王星)ほど遅くゆっくり動いています。ケプラーの法則として知られています。簡単に言えば、太陽系の質量の大半は太陽に集中しているからです。太陽に近い惑星には巨大な太陽の重力が作用するので、速く動いて遠心力を大きくしないと引力とのバランスが取れないからです。

ところが、銀河を構成する星の動きは、銀河の中心に近い星も、遠く離れた星もほとんど変わらない速度で動いていることが発見されました。それを説明するためには、銀河全体を取り囲むように大きな質量が分布している必要があります。しかし見える銀河の星々の総重量では全く不足しています。すなわち、見えない未知の物質が銀河周辺に大量に存在すると考えられます。

(2)一方、銀河が多数集まって銀河団が構成されていますが、銀河団としてまとまるためには強力な重力が必要です。重力が足りないと、個々の銀河はそれぞれの運動によってバラバラに離散してしまいます。離散せずに銀河団としてまとまりを維持するためには、銀河団全体を取り囲むように大きな質量が分布している必要があります。
しかし実際に銀河団に含まれる全ての銀河の総重量を計算しても、各銀河を留めるのに必要な量よりも遥かに質量が不足していることが判っています。すなわち、見えない未知の物質が銀河団周辺に大量に存在すると考えられます。

(3)以上のように、銀河自体の回転運動や、銀河団としてのまとまりの維持を説明するためには、銀河や銀河団それぞれを取り囲むように、未知の質量、すなわちダークマターが大量に存在していると考えざるを得ません。

2.ダークマターの量

(1)ダークマターの質量を推定計算すると、宇宙に存在する既知の物質総重量のなんと5倍ほどの質量になります。重量を生み出すので、物質の仲間であるのは間違いないのですが、分子や原子ではなく、その実態は不明です。

(2)私たちの宇宙には、未知のものが5倍もあり、その実態が解かっていないということになります。次節で述べますが、実はダークマター以外にも未知のものが更に多く存在しており、既知の物質は、宇宙全体の僅か5%に過ぎないことが判っています。
宇宙の95%は未知なのです。

(3)なお、最近になって実際の銀河団内のダークマターの分布状況が判ってきています。見えないため直接ダークマターを観測することはできないのですが、大きな質量を持つため「重力レンズ効果」を引き起こします。その影響を丹念に調べることによって、間接的に質量の拡がりや分布状況や密度が判ってきました。
そしてダークマターの粗密と、銀河の分布の粗密が対応していることが判ってきました。すなわち、ダークマターが密な領域には、銀河が密に存在しているのです。

(4)もし、ダークマターが存在しなかったら、今のような宇宙は形成されなかったかも知れません。大量に存在したダークマターの分布のムラによって重力の粗密ができ、それによって物質の集散が進み、次第に星が形成されていったと考えられます。ダークマターの大きな質量とそのムラがあったからこそ、現在の星や銀河や銀河団が成立できたと考えられています。


3.ダークマターの正体は何か?

(1)ダークマターとは未知の物質という意味合いです。何故未知なのか? 見えないからです。直接観測できないからです。

(2)宇宙に浮かぶ普通の天体は、光や赤外線や電波や紫外線やX線などのいずれかを出しています。しかしダークマターはこれらを出さないため直接観測できないのです。

(3)では、ダークマターの正体は何でしょうか?
ダークマターの候補として下記が挙げられてきました。
・原子
・ブラックホール
・暗い天体(宇宙空間を漂うガス、チリ、岩石など)
・恒星の残骸(褐色矮星、中性子星など)
・ニュートリノ

(4)しかし上記はいずれもダークマターの候補から外されました。様々な状況証拠から「ダークマターとしての必要条件」を満足できなかったからです。


4.ダークマターの必要条件

(1)今までの観測結果から得られたダークマターとしての必要条件は下記の通りです。

〇どんな種類の電磁波(光)も出さない。
〇どんな物質ともぶつからない。
〇宇宙における総重量が、見える全物質の約5倍存在する。
〇宇宙初期に速度ゼロの冷たい物質であった。

(2)現在のところダークマターの正体は不明です。
ただし可能性のある候補として下記の2つが上がっています。

◎ニュートラリーノ:光子などの超対称性粒子
(未発見)
◎アクシオン(未発見)

両方とも素粒子ですが、理論的に存在が予想されているだけで実際に発見されているわけではありません。ダークマターの正体は謎に包まれているのです。
なお、超対称性粒子については、2章で簡単にご説明します。


<私見>

ダークマターに関しては、いずれ遠からずその正体が判明すると私は思っています。物質であることは間違いありませんし、その候補も絞られていますから、発見し易いと考えられます。
もう一つ、世界中の研究者がしのぎを屑って発見競争を繰り広げているからです。昨年までは 多くの科学者がヒッグス粒子(物質に質量を生じさせる原因粒子)の発見に注力してきました。しかし2012年~2013年秋にヒッグス粒子が発見されて以降、研究者の眼がダークマター発見に向けられています。
具体的に発見できればノーベル賞の可能性が極めて高いと思われます。
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by jiriki-tachikawa | 2014-05-08 00:00 | 不思議メールマガジン

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