質量がなくても重力が存在できるなら、ダークマターを説明できるかもしれない

2024年6月14日

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暗黒物質は自然のポルターガイストである。我々はその影響を観察することができるが、それ自体を見ることはできず、その正体もわからない。まるで自然が我々をからかっているかのように、大部分の質量を隠し、その正体を突き止めようとする我々の努力を妨げているかのようである。

これは宇宙の「失われた質量」問題の一部である。実際にはこれは我々の問題である。宇宙はそのままである。我々の宇宙、質量、重力に対する理解が問題であり、解決策は依然として見つかっていない。

その失われた質量が何であるにせよ、または我々が観測する効果を引き起こすものが何であるにせよ、それには仮の名称が与えられている：ダークマターである。そして、ダークマターは宇宙の物質の85%を占めている。

ダークマターは原始的なブラックホールである可能性があるのか？アクシオンである可能性は？それともWIMPS（弱い相互作用する質量を持った粒子）か？ダークフォトンがその力のキャリアなのか？理論的な考察は多いが結論は出ていない。

『Monthly Notices of Royal Astronomical Society』に掲載された新しい研究は、ダークマターの探索が間違った方向に進んでいるかもしれないと示唆している。粒子の一種を探すのではなく、宇宙全体に存在する位相欠陥の一種に解決策があるかもしれないという。

この新しい研究は「The binding of cosmological structures by massless topological defects」というタイトルの論文にまとめられている。著者はUniversity of Alabama at Huntsvilleの物理学および天文学の著名な教授であるRichard Lieu氏である。

この論文のタイトルが示すように、暗黒物質は銀河のような構造を結びつける効果を持っている。天文学者たちは、銀河が自らを保持するのに十分な測定可能な質量を持っていないことを知っている。銀河の星やガスの質量を測定することで、銀河の可視成分がそれ自体を保持するのに十分な質量を提供していないことが明らかになった。それらは単にその構成要素である星やガスの雲に分解してしまうはずである。

しかし、銀河は分解せず、科学者たちは何かが欠けていると結論付けた。Lieu教授は別のアイデアを持っている。

「私自身のインスピレーションは、一般相対性理論の重力場方程式の別の解決策を追求することから得られました。銀河や銀河団の条件に適用される簡略化されたバージョンであるポアソン方程式が、検出可能な質量が存在しない場合でも有限の重力を与えるというものです。この試みは、ダークマターの存在が一世紀にわたって直接的な証拠がないにもかかわらず概念として受け入れられている現状に対する私のフラストレーションから生まれました」と、Lieu氏は述べている。

現代科学の時代において、一世紀は非常に長い時間である。自然が我々を困惑させる力を持っていることは驚くべきことではないが、この問題に対してほとんど進展が見られないのはやや驚くべきことである。科学者たちはダークマターが宇宙の大規模構造に与える影響を理解する上で大きな進展を遂げてきたが、その正体を解明することには成功していない。

「ダークマター（DM）の性質は、この手紙で特に定義されているように、銀河や銀河団を結びつける追加の重力場の原因である宇宙の未知の成分として、1世紀以上の間謎に包まれてきました」とLieu氏は論文に書いている。

Lieu氏の研究は、宇宙における相転移に依存している。これらは、宇宙の物質の状態が変化するエピソードである。局所的ではなく宇宙全体にわたって変化する。例として、強い力がクォークをプロトンや中性子に結びつけるのに十分冷却されたときがある。

Lieu氏は、これらの相転移の一つの間に位相欠陥が形成された可能性があると主張している。これらの欠陥は、物質密度が非常に高いシェルのようなコンパクトな領域の形を取ることができる。これらの欠陥が同心円状に配置されると、質量を持たないにもかかわらず重力のように振る舞う。

「現時点では、宇宙のどの正確な相転移がこの種の位相欠陥を引き起こすのかは不明です」とLieu氏は述べている。「位相欠陥は通常、宇宙の非常に高い密度の物質を含む線形構造である宇宙のひもとして知られていますが、球状のシェルのような2次元構造も可能です。私の論文のシェルは、正の質量を持つ薄い内層と負の質量を持つ薄い外層で構成されており、両方の層の合計質量はちょうどゼロですが、星がこのシェルにあるとき、それはシェルの中心に向かって引かれる大きな重力を経験します」。

したがって、質量を測定できないにもかかわらず、それは存在し、他の物体はそれに反応する。質量は時空を歪め、質量のない光子にも影響を与える。この事実は、我々が重力レンズを使用できる根拠となっている。我々は銀河団の質量を重力レンズに利用する。Lieu氏が言及する球状のシェルのセットも同じ効果を引き起こす可能性がある。

この図は重力レンズ現象を示している。天文学者は、非常に遠くにある非常に暗い天体を研究するためにこの現象を利用している。この図では縮尺がかなり誇張されていることに注意。実際には、遠くの銀河はもっと遠く、もっと小さい。(Credit: NASA, ESA & L. Calcada)

「銀河や銀河団を構成する同心円状の特異シェルのセットによる光の重力屈折は、光線がシェルを通過する際にわずかに内側、つまり大規模構造またはシェルのセットの中心に向かって偏向されることによって引き起こされます」とLieu氏は述べている。「多くのシェルを通過することによる総効果は、暗黒物質の存在を模倣する有限で測定可能な全体の偏向であり、星の軌道速度と同様に大規模構造の重力場の強さを測定する唯一の手段です。」

天文学者が銀河や銀河団の質量を光の偏向と星の軌道に影響を与える方法によって測定するため、天文学者は暗黒物質を構成する粒子ではなく位相欠陥を測定している可能性がある。

「光の偏向と星の軌道速度の両方が、銀河や銀河団などの大規模構造における重力場の強さを測る唯一の手段です」とLieu氏は述べている。「私の論文の主張は、少なくともそれが提案するシェルは無質量であるということです。それによって、この終わりのない暗黒物質の探索を続ける必要はありません。」

2022年に、研究者は空に巨大なアークを発見した。それは1ギガパーセクにわたり、ほぼ対称である。これは標準モデルとそれに基づく宇宙論原理に反するいくつかの大規模構造の一つである。

これらは2022年に発見されたジャイアント・アークの3つの別々のデータ画像である。論文に詳細が掲載されている。(Credit: Lopez et al. 2022, 10.1093/mnras/stac2204)

「巨大なアークやリングの観察は、ダークマターモデルに対する提案された代替案をさらに支持する可能性があります」とLieu氏は論文に書いている。また、彼が提案するシェルは完全な球である必要はないとも指摘している。

これらのシェルが存在する場合、それらの配置は銀河や銀河団の形成と形状も支配するであろう。将来の研究は、これらのシェルがどのように形成されるかを正確に決定するであろう。「この論文は構造形成の問題に取り組むことを試みていません」とLieu氏は述べている。実際、彼はそれらがどのように形成されるかを観測する方法は現在ないことを認めている。

「論争の的となる点は、シェルが最初は平面または直線のひもであったかどうか、角運動量がそれらを巻き上げるかどうかです。また、専用の観測によって提案されたシェルを確認または否定する方法も問題です」とLieu氏は述べている。

経験豊富な科学者であるLieu氏は、彼が提案していることの限界を認識している。

「もちろん、第二の解決策が利用可能であることは、それが非常に示唆に富むものであっても、暗黒物質仮説を単独で否定するのに十分ではありません。それはせいぜい興味深い数学的な演習です」とLieu氏は結論付けている。「しかし、それは質量なしで重力が存在することを示す最初の証拠です」。

論文