最初の星からのささやきが暗黒物質に関する激しい論争を引き起こす

宇宙最初の星に関するニュースは、いつもどこかどこかおかしいように思えた。昨年7月、テルアビブ大学の宇宙学者レナン・バルカナは、長年の共同研究者であるジャッド・ボウマンからメールを受け取った。ボウマンは5人の天文学者からなる小グループを率い、オーストラリア西部の僻地に電波望遠鏡を建設・設置した。その目的は、最初の星のささやきを捉えることだった。ボウマンと彼のチームは、意味不明な信号を捉えた。彼はバルカナに、一体何が起こっているのかをじっくり考えてほしいと頼んだ。

長年にわたり、電波望遠鏡が空を観測する中で、天文学者たちは宇宙で最初の星の兆候を垣間見たいと願ってきました。しかし、これらの天体は非常に暗く、130億光年以上も離れているため、通常の望遠鏡では捉えることができません。そこで天文学者たちは、星が周囲のガスに及ぼす影響を探します。ボーマンの装置は、この探査に使用されている他の装置と同様に、遠方の宇宙からやってくる電波の特定の減衰を見つけ出そうとします。

この測定は極めて困難です。なぜなら、潜在的な信号は現代社会の無数の電波源（実験がオーストラリア奥地で行われている理由の一つ）だけでなく、私たちの天の川銀河のような近隣の宇宙源にも埋もれてしまう可能性があるからです。それでも、長年にわたる綿密な研究を経て、ボーマン氏と彼の同僚であるEDGES（地球規模の再電離期の兆候を検出する実験）は、最初の星を発見しただけでなく、若い宇宙が誰もが考えていたよりもはるかに寒かったという証拠を発見したという結論に至りました。

しかし、バルカナ氏は懐疑的だった。「一方で、これは非常に確かな測定値のように見えます」と彼は言った。「しかし、一方で、これは非常に驚くべきことです。」

初期宇宙が冷たく見えるのはなぜでしょうか？バルカナ氏は様々な可能性を検討し、暗黒物質の存在が原因かもしれないと気づきました。暗黒物質とは、宇宙に遍在しながらも、その正体や作用機序を解明しようとする試みをことごとく逃れてきた謎の物質です。彼は、EDGESの結果が、通常の物質が暗黒物質と相互作用する全く新しい方法であると解釈できることを発見しました。

EDGESグループは、この信号の詳細と最初の恒星の検出を3月1日発行のNature誌で発表しました。同誌の記事には、バーカナ氏によるダークマターに関する斬新なアイデアを説明した論文が掲載されていました。世界中の報道機関がこの発見を報じました。AP通信は「天文学者、星が点灯した宇宙の夜明けを垣間見る」と報じ、「謎のダークマターの活動も検出した可能性がある」と付け加えました。

しかし、発表から数週間が経ち、世界中の宇宙学者たちは興奮と懐疑が入り混じった反応を示している。ネイチャー誌に掲載されたEDGESの結果を初めて目にした研究者たちは独自の分析を行い、バルカナ氏が示唆するように、何らかの暗黒物質が原因だとしても、その効果を生み出すのに関与しているのはそのごく一部に過ぎない可能性を示している（バルカナ氏自身もこれらの研究の一部に関わっている）。また、実験天文学者たちは、EDGESチームとその綿密な研究には敬意を表するものの、このような測定結果を完全に信頼するのは難しすぎると述べている。「もしこれが画期的な発見でなければ、人々は結果をそのまま信じてしまう方がずっと容易だったでしょう」と、オーストラリアのスウィンバーン工科大学で同様の実験に携わる天文学者ダニエル・プライス氏は述べた。「素晴らしい主張には、素晴らしい証拠が必要です。」

このメッセージは、ネイチャー誌の論文が発表されて以来、宇宙論界全体に響き渡っています。

ささやきの源

ボウマン氏がバーカナ氏に連絡を取り、驚くべきEDGES信号について伝えた翌日、バーカナ氏は家族と共に義理の両親の家へ車で向かった。車中、バーカナ氏はこの信号についてじっくり考え、ボウマン氏から渡された興味深いパズルについて妻に話したという。

ボウマン氏とEDGESチームは、ビッグバン後の最初の数億年間、宇宙を満たしていた中性水素ガスの探査を行っていました。このガスは周囲の光を吸収する傾向があり、宇宙学者が詩的に「暗黒時代」と呼ぶ時代をもたらしました。宇宙は宇宙マイクロ波背景放射（CMB）からの拡散した周囲光、いわゆるビッグバンの残光で満たされていましたが、この中性ガスは特定の波長の光を吸収しました。EDGESはこの吸収パターンを探索しました。

宇宙で星々が輝き始めると、そのエネルギーがガスを加熱したと考えられます。最終的にガスはCMB放射を吸収できなくなるほどの高温に達し、吸収信号は消失し、暗黒時代は終わりました。

EDGESによって測定された吸収信号には、膨大な量の情報が含まれています。吸収パターンが膨張宇宙を移動するにつれて、信号は伸びていきます。天文学者はこの伸びを利用して、信号がどれだけの期間移動してきたかを推測し、ひいては最初の星がいつ点灯したかを推測することができます。さらに、検出された信号の幅は、ガスがCMB光を吸収していた時間に対応しています。そして、信号の強度、つまり吸収された光量は、ガスの温度と、その時点で周囲を漂っていた光の量に関係しています。

多くの研究者にとって、この最後の特徴は最も興味深いものです。「これは私たちが考えていたよりもはるかに強い吸収です」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の宇宙学者スティーブン・ファーラネット氏は述べています。彼はEDGESデータが最古の銀河の形成にどのような意味を持つのかを研究してきました。

このような強い信号の最も明白な説明は、中性ガスが予想よりも冷たく、より多くの背景放射を吸収できたというものです。しかし、宇宙が予想外に冷えたというのはどういうことでしょうか？「これは星が形成され始める時期、つまり夜明け前の暗闇のことです」とバルカナ氏は言います。「つまり、あらゆるものが極限まで冷えているのです。問題は、これ以上冷えてしまうものは何なのか、ということです。」

7月のある日、義理の両親の家の駐車場に車を停めていた時、ある考えが浮かんだ。それはダークマターかもしれない、と。結局のところ、ダークマターは通常の物質と電磁力で相互作用しないようだ。つまり、熱を放出したり吸収したりしないのだ。つまり、ダークマターは宇宙の始まりの頃は、通常の物質よりも低温で始まったか、あるいはずっと長い間冷却を続け、その後も冷え続けた可能性がある。

その後1週間、彼は「ミリチャージ」ダークマターと呼ばれる仮説上のダークマターがどのようにして原因となったのかという理論構築に取り組んだ。ミリチャージされたダークマターは通常の物質と相互作用する可能性があるが、その力は非常に弱い。「基本的に、もはや目に見えないダークマターセクターに熱を放出することで」銀河間ガスは冷却された可能性があるとフルラネット氏は説明した。バルカナ氏はこのアイデアをまとめ、ネイチャー誌に提出した。

その後、彼は数人の同僚と共にこの考えをより詳細に検討し始めた。他の研究者も同様に検討を進めた。ネイチャー誌に論文が掲載されるやいなや、複数の理論宇宙論グループが、この予想外の種類の暗黒物質の挙動を、私たちが宇宙について知っていることと比較し始めた。数十年にわたるCMB観測、超新星爆発のデータ、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などの粒子加速器での衝突の結果、そしてビッグバンが宇宙の最初の数分間で水素、ヘリウム、リチウムをどのように生成したかについての天文学者の理解などである。もしミリ電荷を持つ暗黒物質が存在するとしたら、これら他の観測はすべて意味をなすのだろうか？

結果はそうではなかった。より正確には、研究者たちは、ミリ電荷を持つ暗黒物質は宇宙全体の暗黒物質のごく一部しか占めていないことを発見した。EDGESデータで観測された窪みを作り出すには、その割合は小さすぎるのだ。「暗黒物質の100%が相互作用することはあり得ません」と、ハーバード大学の天体物理学者で、Physical Review Letters誌に投稿された論文の筆頭著者であるアナスタシア・フィアルコフ氏は述べた。バルカナ氏らがプレプリントサイトarxiv.orgに投稿した別の論文では、この暗黒物質の存在はさらに小さく、ミリ電荷を持つ暗黒物質全体の1～2%程度にしか満たないと結論付けている。独立したグループも同様の結論に達している。

ミリ電荷を持つ暗黒物質ではないとしたら、EDGESの予想よりも強い吸収信号は一体何によって説明できるのだろうか？もう一つの可能​​性は、宇宙の夜明けに余分な背景光が存在していたということだ。もし初期宇宙に予想よりも多くの電波が存在していたとしたら、「ガス自体は変化していないにもかかわらず、吸収はより強く現れるはずだ」とフルラネット氏は述べた。もしかしたら、宇宙が幼少期にあった頃、CMBだけが唯一の環境光ではなかったのかもしれない。

この考えは、全くの突飛なものではありません。2011年には、ARCADE 2と呼ばれる気球実験で、CMB単体では予測できないほど強い背景電波信号が観測されました。科学者たちはまだこの結果を説明できていません。

EDGESによる検出後、いくつかの天文学者グループがこれらのデータを再検討しました。あるグループは、ブラックホールが天空で最も明るい銀河系外電波源であることから、ブラックホールを説明の可能性のあるものとして検討しました。しかし、ブラックホールはX線など、初期宇宙では観測されていなかった他の形態の放射線も発生しています。そのため、天文学者たちはブラックホールが答えであるという説に依然として懐疑的です。

それは本当ですか?

おそらく最も単純な説明は、データが単に間違っているということでしょう。結局のところ、測定は非常に困難です。しかし、EDGESチームはすべてのデータを非常に注意深く照合したと誰もが認めています。プライス氏はこの実験を「精巧」と評しました。つまり、データに欠陥があったとしても、それを見つけるのは非常に困難だということです。

EDGESチームは2015年9月に無線アンテナを展開しました。12月には信号を観測していたと、EDGESチームのメンバーでコロラド大学ボルダー校の実験宇宙学者ラウル・モンサルベ氏は述べています。「予想よりも強かったので、すぐに疑念を抱きました。」

こうして彼らは、徹底的な調査のマラソンが始まった。彼らは同様のアンテナを作り、最初のアンテナから約150メートル離れた場所に設置した。環境や機器の影響を排除するため、アンテナを回転させた。また、別々の較正・分析手法を用いた。「信号が環境から来たものか、それとも他の発生源から来たものかを排除するために、非常に多くのカット、比較、クロスチェックを行った」とモンサルベ氏は述べた。「最初は自分たちも信じられなかった。信号がこれほど強いのは非常に疑わしいと思った。だから発表に時間がかかったのだ」。彼らは信号を確認しており、しかもその信号は予想外に強いと確信している。

「結果は信じています」とプライス氏は述べたものの、データの系統的誤差の検証は依然として必要だと強調した。彼は、実験で潜在的な誤差を見落としていた可能性がある点を一つ挙げた。アンテナの感度は、観測する周波数と信号の到来方向によって変化するという点だ。天文学者はこうした不完全性について、測定するかモデル化することで説明できる。ボーマン氏らはモデル化を選択した。プライス氏は、EDGESチームのメンバーが代わりにこれらの不完全性を測定する方法を見つけ、その測定結果を考慮して信号を再解析することを提案している。

次のステップは、2つ目の電波検出器でこの信号を検出することです。これは、EDGESのアンテナや模型ではなく、天空から発信された信号であることを意味します。カリフォルニア州オーエンズバレーにある「暗黒時代を探る大型開口実験（LEDA）」プロジェクトの科学者たちは現在、この機器のデータ解析を行っています。その後、研究者たちは、この信号が実際に宇宙論的なものであり、私たちの天の川銀河から発信されたものではないことを確認する必要があります。これは単純な問題ではありません。私たちの銀河系の電波放射は、宇宙論的な信号の数千倍も強い場合があるからです。

バルカナ氏をはじめとする多くの研究者が述べているように、研究者たちは概して、EDGESの測定そのものとその解釈の両方を健全な懐疑心を持って捉えている。科学者は、初めての測定には懐疑的であるべきだ。そうすることで、観測が健全であり、分析が正確に行われ、実験に誤りがなかったことを保証できるからだ。つまるところ、科学とはそういうものなのだ。「私たちは疑問を投げかけ、調査し、あらゆる誤った可能性を排除します」と、バルカナ氏と追跡分析の一つで協力したテルアビブ大学の素粒子物理学者、トマー・ヴォランスキー氏は述べた。「私たちは真実を追い求めています。もしそれが暗黒物質ではないという真実であれば、それは暗黒物質ではないのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。