天文学者、宇宙の失われた物質を発見

天文学者たちはついに、失われた宇宙の最後の一片を発見した。それは1990年代半ば、研究者たちが宇宙に存在する「通常の」物質――星、惑星、ガス、原子核でできたものすべて――を一覧にしようと決意して以来、隠されていた。（これは「暗黒物質」ではなく、これは全く別の謎のままである。）彼らは、ビッグバン中に物質がどのように生成されたかに関する理論的研究に基づき、宇宙にどれだけの量が存在するかについて、かなり正確な見当をつけていた。ビッグバンの名残光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の研究は、これらの初期の推定を裏付けることになるだろう。

クアンタマガジン

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。

そこで彼らは、観測可能なすべての物質――星やガス雲など、いわゆる重粒子――を合計しました。しかし、その存在量のわずか10%しか説明できませんでした。さらに、通常の物質は宇宙の全物質のわずか15%を占め、残りは暗黒物質であることを考慮すると、彼らが把握していたのは宇宙の全物質のわずか1.5%に過ぎません。

天文学者たちは最近発表された3本の論文の中で、宇宙に存在する通常の物質の最後の塊を特定した。（彼らは依然として、暗黒物質の構成要素については深く困惑している。）そして、その全てを特定するのに長い時間を要したにもかかわらず、研究者たちは、ずっと予想していたまさにその場所、つまり銀河間の空虚な隙間を横切る広大な高温ガスの渦巻きの中に、それを発見した。より正確には、温熱銀河間物質（WHIM）と呼ばれる物質だ。

銀河間に実質的に目に見えないガスが広範囲に広がる可能性を示唆する初期の兆候は、1998年に行われたコンピューターシミュレーションから得られました。「宇宙全体のガスに何が起こっているのかを知りたかったのです」と、プリンストン大学の宇宙学者ジェレミア・オストリカー氏は述べました。彼は同僚のレンユエ・セン氏と共に、このシミュレーションの一つを構築しました。二人は、重力、光、超新星爆発、そして宇宙空間で物質を動かすあらゆる力によって生じるガスの動きをシミュレーションしました。「ガスはフィラメント状に蓄積され、それが検出可能になるはずだという結論に達しました」と彼は述べています。

しかし、まだそうではありませんでした。

「宇宙論シミュレーションの初期から、多くの重粒子は銀河ではなく、高温で拡散した状態にあることは明らかでした」と、リバプール・ジョン・ムーア大学の天体物理学者イアン・マッカーシー氏は述べています。天文学者たちは、これらの高温の重粒子が、銀河間の広大な空間に広がる目に見えない暗黒物質でできた宇宙上部構造に収まっていると予想していました。暗黒物質の重力はガスを引き寄せ、数百万度まで加熱します。残念ながら、高温で拡散したガスを見つけるのは極めて困難です。

隠れたフィラメントを見つけるため、2つの独立した研究チームが、ビッグバンの残光であるCMBの正確な歪みを探しました。初期宇宙からの光が宇宙を横切る際、通過する領域の影響を受ける可能性があります。特に、高温の電離ガス（WHIMなど）の電子は、CMBからの光子と相互作用し、光子に追加のエネルギーを与えると考えられます。CMBのスペクトルは歪むはずです。

残念ながら、プランク衛星によって提供されたCMBの最良の地図には、そのような歪みは見られませんでした。ガスが存在しなかったか、あるいは効果があまりにも微妙で現れなかったかのどちらかです。

しかし、二つの研究チームは、それらを可視化しようと決意していました。宇宙の詳細なコンピューターシミュレーションを重ねるうちに、巨大銀河の間には、窓辺に張られたクモの巣のようにガスが広がっているはずだと分かっていたのです。プランク望遠鏡では、どの銀河ペアの間にもガスを観測できませんでした。そこで研究者たちは、かすかな信号を100万倍に増幅する方法を考案しました。

まず、科学者たちは既知の銀河のカタログを調べ、適切な銀河ペアを探しました。銀河ペアとは、十分な質量を持ち、適切な距離にある銀河で、その間に比較的厚いガスの蜘蛛の巣を形成するものです。次に、天体物理学者たちはプランクのデータに戻り、それぞれの銀河ペアの位置を特定し、デジタルハサミを使ってその領域を空から切り取りました。エディンバラ大学の博士課程学生であるアナ・デ・グラーフ氏が率いる研究の場合、100万枚以上の切り抜き画像が手元にありました。彼らはそれぞれの切り抜き画像を回転させ、拡大・縮小することで、すべての銀河ペアが同じ位置にあるように見せました。そして、100万組の銀河ペアを重ね合わせました。（フランス・オルセー宇宙天体物理学研究所の谷村英樹氏が率いるグループは、26万組の銀河を組み合わせました。）ついに、拡散した高温ガスの幽霊のようなフィラメントである個々の糸が突然見えるようになりました。

この手法には落とし穴がある。コロラド大学ボルダー校の天文学者マイケル・シュル氏によると、結果の解釈には高温ガスの温度と空間分布に関する仮定が必要だという。また、信号が重なり合うため、「大量のデータを組み合わせた結果生じる『弱い信号』を常に懸念することになる」とシュル氏は述べた。「世論調査で時々見られるように、統計を歪める外れ値や分布の偏りがあると、誤った結果が得られる可能性があるのです。」

こうした懸念もあって、宇宙論界はこの問題が決着したとは考えていなかった。必要なのは、高温ガスを測定する独立した方法だった。そして今夏、その方法が誕生した。

灯台効果

最初の2つの研究チームが信号を積み重ねている間、3つ目のチームは異なるアプローチを採用しました。彼らは数十億光年離れた明るいビーコンである遠方のクエーサーを観測し、それを用いて、光が通過する一見何もないように見える銀河間空間に存在するガスを検出しました。これは、遠く離れた灯台の光線を調べて、その周囲の霧を調べるようなものでした。

通常、天文学者がこれを行う際、宇宙で最も豊富な元素である水素原子によって吸収された光を探そうとします。しかし残念ながら、この選択肢は使えませんでした。WHIMは非常に高温であるため、水素は電離し、電子を一つ剥ぎ取られてしまいます。その結果、光を吸収しない自由陽子と電子のプラズマが発生します。

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そこで研究チームは、代わりに別の元素を探すことにした。酸素だ。WHIMには水素ほど酸素は多くないが、原子状酸素は電子を8つ持っているのに対し、水素は1つだ。WHIMの熱はこれらの電子の大部分を奪い取るが、すべてではない。ローマの国立天体物理学研究所のファブリツィオ・ニカストロ氏が率いる研究チームは、電子を2つ残して他をすべて失った酸素が吸収する光を追跡した。すると、熱い銀河間ガスの塊が2つ見つかった。「酸素は、はるかに大きな水素とヘリウムのガスの貯蔵庫のトレーサーになります」とニカストロ氏のチームの一員であるシュール氏は述べた。研究チームはその後、地球とこの特定のクエーサーの間で発見したガスの量を宇宙全体に外挿した。その結果、行方不明の30%を発見した可能性が示唆された。

この数値はCMB研究の知見とも見事に一致している。「両研究チームは同じパズルの異なるピースを研究しながら、同じ答えにたどり着いています。それぞれの研究手法の違いを考えると、これは心強いことです」と、テキサス大学オースティン校の天文学者マイク・ボイラン＝コルチン氏は述べた。

シュール氏によると、次のステップは、より感度の高い次世代X線・紫外線望遠鏡を用いて、より多くのクエーサーを観測することだという。「今回観測したクエーサーは、私たちが発見できた中で最も優れた、そして最も明るい灯台でした。他のクエーサーはより暗く、観測にはより長い時間がかかるでしょう」と彼は述べた。しかし、現時点での結論は明らかだ。「私たちは、行方不明だった重粒子が発見されたと結論づけています」と、研究チームは論文に記している。

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