1980年代から90年代にかけて、カルロス・フレンクが冷たい暗黒物質（「冷たい」とは、目に見えない粒子の比較的遅い速度を指す）に関する初期の理論のいくつかに取り組んでいたとき、彼はこの考えは長くは続かないと考えていた。彼と彼の同僚たちは既に、より高速に移動する「熱い」暗黒物質の理論、つまりニュートリノのような粒子で構成されている可能性を検証し、すぐにそれを否定していた。しかし、冷たい暗黒物質の理論はその後20年間、天体物理学者の「標準モデル」となり、今もなおその地位を保っている。
フレンク氏は現在、冷暗黒物質理論の穴を再び突き止めようとしている。新たなシミュレーションを用いて、理論に有利な答えが出るかどうかわからない未解決の疑問に取り組みたいと考えている。「科学とはそういうものです。今の私の野望の一つは、これまで取り組んできた理論を覆すことです」と、英国ダラム大学の天体物理学者であるフレンク氏は語る。
フレンク氏とダラム大学およびフィンランド・ヘルシンキの同僚たちは、暗黒物質宇宙のコンピューターシミュレーションの第一段階を完了したばかりだ。このプロジェクトは、フィンランドの作曲家にちなんで「局所宇宙を超えたシミュレーション」プロジェクト、通称SIBELIUS（シベリウス）と名付けられている。このプロジェクトを率いたのは、以前ダラム大学でフレンク氏と共に研究を行っていたスチュアート・マカルパイン氏とティル・サワラ氏だ。彼らのシミュレーションは単なる暗黒物質シミュレーションではなく、銀河をモデル化したものであり、冷たい暗黒物質に関する標準的な見解が正しいとすれば、私たちの銀河系と宇宙の片隅がどのように見えるかを詳細に3次元的に描写している。彼らは今月、この新たな研究成果を発表した。
「これは、かみのけ座銀河団やおとめ座銀河団など、私たちがよく知っている構造をすべて備えた、私たちの宇宙の領域をシミュレートする初の試みです」とフレンク氏は述べ、巨大な銀河団を指して言った。地球から数千万光年、あるいはさらに遠くにあるこのような宇宙のランドマークは、数十億年にわたる私たちの銀河の形成と進化を理解する上で重要となる可能性がある。また、宇宙の膨張速度に関する物理学者の見解にも影響を与える可能性がある。フレンク氏と彼のチームは、今回のシミュレーションがこうした重大な疑問を解明するための有用なツールとなることを期待している。もしこれらの疑問に答えられなければ、現在の暗黒物質理論に問題があることを意味するかもしれない。
フレンク自身を含む理論家による過去の研究は、統計的な意味で現実の宇宙に似ているだけの巨大な宇宙をシミュレートし、銀河や銀河団の数をほぼ正確に算出するか、あるいは私たちの天の川銀河に焦点を絞って焦点を絞るかのどちらかでした。しかし、私たちの銀河系の周囲からも学ぶべきことは数多くあります。天文学者たちは私たちの近傍領域を徹底的に地図化し、大マゼラン雲のように、月が地球の周りを回るのと同じように天の川銀河の周りを回る、小さくてかすかな「衛星」銀河を数十個発見しました。彼らはさらに数十年、あるいはそれ以上の期間、近隣の銀河系外にある銀河団やその他の天体も地図化してきました。（フランスの天文学者シャルル・メシエは、1781年に同じ名前の星座にあるおとめ座銀河団を初めて発見しました。）
SIBELIUSはより複雑です。なぜなら、SIBELIUSは私たちの宇宙近傍に関する優れた観測結果に基づいており、その局所的な地形をある程度再現しようとしているからです。SIBELIUSのシミュレーションボックスは大きく、一辺が33億光年の3次元空間を再現するように設計されています。この仮想宇宙では、設計上、私たちが宇宙の中心であり、天の川銀河と隣接するアンドロメダ銀河が中心に位置しています。
SIBELIUSは「制約実現」と呼ばれるもので、これらの銀河や他の局所銀河のシミュレーションは、現実の宇宙におけるそれらについて知られている事実と密接に一致する必要があることを意味します。研究チームは、これらの銀河をより広い文脈でマッピングすることで、この領域が宇宙全体を代表しているのか、それとも非典型的なのかを解明したいと考えています。非典型的とは、周囲の銀河の数が予想される平均よりもはるかに多い、あるいは少ないことを意味する可能性があります。
シミュレーション（そして私たちの宇宙）の中心には、天の川銀河と、最も近い巨大な隣人であるアンドロメダ銀河（M31として知られる）があります。写真：スチュアート・マカルパイン博士
多くの物理学者は、巨大でありながら隠された暗黒物質の網が銀河構造を支えていると考えています。SIBELIUSの箱の中には、他の場所よりも暗黒物質がわずかに多い場所があります。ここでは暗黒物質が凝集し始め、それが成長していきます。フレンク氏と彼の同僚は、これらの凝集体の中で銀河がどのように形成され成長するかをモデル化し、このシミュレーションで起こることを現実世界で知られていることと比較しています。
テキサス大学オースティン校の天体物理学者で、暗黒物質と銀河のシミュレーションを研究しているマイク・ボイラン＝コルチン氏は、この状況を、現代の大都市を数え、それらの相互に関連した歴史やそれらを結ぶ道路を含めた、より微妙な全体像を描くことに例える。「米国の大都市の数を知っていればそれで十分です。しかし、それらが互いの関係や地理的な位置関係を知り始めると、歴史や形成過程についてより深く理解できるようになります」と彼は言う。また、私たちの銀河の宇宙史という観点から言えば、天の川銀河の境界を越えた暗黒物質や他の銀河が、その過去をどのように形作ってきたかを知りたいと彼は言う。「私たちの周りに銀河が特定の分布をしていることは重要なのでしょうか？天の川銀河の特定の属性はどれほど珍しいのでしょうか？そして、それが大規模環境とどれほど関係しているのでしょうか？」と彼は問いかける。 「こうした疑問すべてに実際に答えられるのは、これらの人々が作っているようなシミュレーションだけだと私は思います。」
天文学者は当然のことながら、宇宙の中でも私たちに最も近い部分に望遠鏡を向けてきました。なぜなら、そうした星や銀河は最も詳細に観測できるからです。しかし、天体物理学者たちは、私たちの銀河系周辺の銀河群と暗黒物質理論を一致させることに苦労してきました。例えば、以前のモデルでは、現実の宇宙で実際に発見されているよりも多くの近隣銀河が予測されていました。これは「失われた衛星」問題と呼ばれています。
暗黒物質の巨大な塊は、星、そして後に銀河へと成長するガスを引き寄せるのに十分な重力を持っているはずです。しかし、もう一つの問題は、一部のシミュレーションでは、衛星銀河を包むはずの巨大な暗黒物質の塊が生成されることです。しかし、現実の宇宙にはそのような塊は存在しないようです。これは「大きすぎて潰せない」問題と呼ばれています。巨大な暗黒物質の塊は質量が大きすぎて、その中に銀河を形成できないと考えられているからです。
3つ目の課題は、天の川銀河とアンドロメダ銀河の周りを渦巻く衛星銀河が、四方八方に広がっているのではなく、平面的に周回しているように見えるという事実から生じている。これは、暗黒物質物理学者が予測していなかったことだ。
フレンク氏らが解決を試みている宇宙論上の問題もいくつかある。近傍の超新星爆発やその他の局所的現象を用いて宇宙の現在の膨張速度を測定する天文学者は、初期宇宙を調査する天文学者とは異なる答えを得ている。もし暗黒物質モデルが正しければ、過去と現在の観測結果の間にある厄介で根強い矛盾を解決する方法があるはずだ。
しかし、SIBELIUSのようなシミュレーションが役に立つかもしれません。銀河が暗黒物質の宇宙網のどこに位置しているかが、宇宙の膨張速度の測定に実際に影響を与える可能性があるのです。もし天の川銀河が網の目の中の「穴」のような場所、つまり暗黒物質の大都市間の田園地帯のようなものだとしたらどうでしょうか？もし私たちの宇宙の一部が実際には宇宙の代表ではないとしたら、宇宙がどれだけ速く外側へ吹き出しているかに関する私たちの局所的な測定には、多少の偏りがあるかもしれません。
イェール大学の天体物理学者で暗黒物質の専門家であるプリヤムバダ・ナタラジャン氏は、天の川銀河は暗黒物質がかなり密集した領域に位置する可能性もあれば、まばらな領域に位置する可能性もあると述べています。「このシミュレーションの素晴らしい点は、次のような点を検証できることです。私たちの周囲にある物質の体積はどれほど典型的か、あるいは異常か？私たちの周囲に見られる物質の分布はどれほど珍しいのか？私たちは山の上にいるのか、それとも谷の中にいるのか？」と彼女は言います。
望遠鏡で観測された銀河とシミュレーションで見られるものを比較する場合、同じ条件で比較する必要があると、フランス・オルセーにある宇宙天体物理学研究所の天体物理学者ジェニー・ソルセ氏は言う。ソルセ氏は、おとめ座銀河団の銀河に焦点を当てた「CLONE」と呼ばれる同様のシミュレーションの設計に携わった。「同じ歴史や環境を共有していない銀河団同士を比較することはできないのです」とソルセ氏は言う。
フレンク氏と彼のチームは、低解像度で自作のコンピューターを用いて初期テストを数多く行いました。しかし、望遠鏡と同様に、スーパーコンピューターの計算時間には限りがあります。完全なシミュレーションを実行できたのはたった一度だけで、数千のコンピューターコアで数百万時間の計算時間を要しました。しかし、シミュレーション結果に基づき、彼らは天の川銀河周辺が確かに非典型的であることに気づきました。私たちが住んでいる宇宙領域は、平均よりも銀河の数は少ないものの、大きな銀河団は平均よりも多く存在します。まるでロサンゼルスのような低地の都市に住んでいるかのようですが、遠くには山脈が広がっています。
もし天の川銀河が本当に奇妙な存在なら、暗黒物質の謎を解明する手がかりになるかもしれないと、フレンク氏とボイラン＝コルチン氏は推測している。もし私たちが宇宙の希薄な部分にいるとすれば、膨張率の局所的な測定値が、遠く離れた宇宙の測定値に基づいて予想されるものと異なる理由を説明できるかもしれない。
そして、私たちの銀河が非典型的な近隣地域の真ん中にあるとしたら、衛星が珍しい配置になっている理由を説明できるかもしれない。おそらく衛星は特別な方法で天の川銀河の軌道に引き込まれたのだろう。
言い換えれば、天の川銀河の近傍が本当に珍しいものであるならば、冷たい暗黒物質理論は今のところこれらの課題を乗り越えられるということを意味する。
結論はまだ出ていません。SIBELIUSシミュレーションには改善の余地が大いにあります。銀河形成モデルに流体力学を取り入れ、新しい星を形成し銀河を成長させるガス雲を追うことができれば、さらに優れたリソースになるだろうとソルセ氏は言います。そうすれば、暗黒物質の塊の中に銀河がより自然に出現し、より微細な暗黒物質問題の調査に役立つ可能性があります。フレンク氏と彼のチームはまさにそれを実現する予定ですが、そのためにはスーパーコンピュータの処理時間がはるかに長くなるでしょう。
その間、フレンク氏はこれらのシミュレーションを用いて、依然として有力視されている冷たい暗黒物質モデルへの挑戦を探り続けるつもりだ。「もしそれが間違っているなら、私がそれを証明する者になりたいのです」と彼は言う。
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