ダークマターを語る。

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ダークマターとは

宇宙に存在する物質を理論的に予測した量と、実際の観測から見積もられる物質の量には大きな違いがある。
このため、宇宙には光で観測できない物質が多く存在すると考えられている。

光で観測できない物質をダークマターという。
暗黒物質という場合もある。

「光で観測できない」とは「見ることができない」という意味である。
ダークマターは質量(重さ)はあるが、見えない物質なのだ。

目に見える物質は15％で、残りの85％がダークマターだ。
我々の目に見える通常の物質は宇宙では少数派なのだ。

さらに物質だけでなくエネルギーも含めると、74%がダークエネルギー、22%がダークマターである。
宇宙の96%は見えないのである。

見えないダークマターの発見

銀河団の運動

100個以上の銀河の集団を銀河団という。
銀河が集まっていながら、重力によって1つに固まらないのは、個々の銀河が好き勝手な方向に移動しているからだ。
一方、好き勝手な方向に移動しながら銀河団がバラバラにならないのは、お互いの重力が相互にブレーキをかけるからである。

つまり、銀河団は個々の銀河の「飛び出そうとする勢い」と「引き戻そうとする重力」がバランスしているので、銀河団としてのまとまりを保っているのである。

1930年代に個々の銀河の速度(飛び出そうとする勢い)を観測から求めた。
ところが、この値が予測以上に大きいことが判った。

銀河団全体の重力(引き戻そうとする重力)は、銀河団を構成する銀河の数を調べることによって計算される。
これによって求められた重力よりも、個々の銀河の速度が10倍も大きいのである。
10倍も大きければ、銀河団はとっくにバラバラになっているはずである。

今もなお銀河団が健在であるのは、見えている銀河の10倍の物質がなければおかしい。
ツウィッキーは、観測では検出できない物質が存在すると仮定し、ダークマターと呼んだ。

銀河団のガス

銀河団はガスに満ちている。
このガスは銀河団の中心ほど濃く、熱い。
その温度は1億度にも達し、強力なエックス線を放っている。

これほど熱いガスであれば、運動が活発なため散逸してしまっていいはずだ。

そのような熱いガスが、中心部に留まっていられるのは、より大きな質量が存在しなくてはならない。
より大きな質量がダークマターである。

銀河の回転問題

地球が太陽の周囲を公転するのは、太陽の重力と地球の遠心力がバランスを保っているからだ。
太陽の重力は、太陽から離れるに従って弱くなる。

そのため、外側の惑星ほど公転の遠心力が弱い。
つまり、公転のスピードが遅い。

銀河に含まれる恒星も同じだ。
銀河の重力と、個々の恒星の遠心力がバランスした状態で銀河が回転する。

実際に個々の恒星の公転スピードを測定すると、予測以上に大きい。
しかも、銀河の中心から離れても公転のスピードが遅くならない。

これは、銀河には光での観測で検出されない物質が多く含まれていて、銀河の端まで分布していることを示している。

ダークマター(暗黒物質)の候補

ダークマターの正体は不明のままだ。
しかし、ダークマターの候補となる物質はいくつか考えられている。

ダークマターの候補は、大きくMACHO(マッチョ)とWIMP(ウィンプ)に分かれている。

元々WIMP(ウィンプ)という用語が先に考案された。
英語のWimpは「弱虫」という意味があるので、微細な素粒子とイメージを合わせたのだろう。

その後、WIMP(ウィンプ)に対比してMACHO(マッチョ)が考え出された。
英語のMachoは「筋肉ムキムキの男性」を意味する言葉である。

様々な研究よりダークマターの正体はWIMP(ウィンプ)である可能性が高い。

MACHO

MACHO[マッチョ：Massive Compact Halo Object]は、通常の天体であるが暗すぎて見えないもの指している。
例えば、小型のブラックホール、褐色矮星、中性子星、白色矮星、太陽系外惑星がダークマターの候補として考えられている。
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WIMP

天体以外にもニュートリノ、ニュートラリーノ、アクシオン等の素粒子がダークマターの候補となっている。
ただし、ニュートリノ以外は理論的に存在が予測されているのみで未発見である。

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