その分布を地図にし、重さを測り、シミュレーションすることはできます。それでも、それが何なのかはまったく分かっていません。しかし、 ダークマター はいまだかつてないほど注目を集めています。
天文学者たちは今や、 知って います。宇宙に原子1グラム分があるごとに、光を放つことも遮ることもない新たな物質が、少なくともその5倍存在することを。
また、スーパーコンピューターの中にモデル宇宙を作り、夜空に見える周囲の様子を驚くほど詳細に再現できます。ただしそれは、この目に見えないダークマターが幽霊のように私たちを通り抜けると仮定した場合に限られます。
さらに、この10年で、私たちはほぼ日常的に目に見えないものを 地図に 描き始め、シミュレーションの予測と一致することを見いだしてきました。
それでも、素粒子物理学者がダークマターの候補として考案してきた数多くの粒子のうち、どれが正しいのかは、まだ分かっていません。これは、神の粒子、すなわちヒッグス粒子の探索に勝るとも劣らず壮大で、ある意味ではさらに難しい探求です。
最初の手がかり
1978年、ヴェラ・ルービンとケント・フォードは、近くの銀河にある恒星が予想どおりには動いていないことを 発見し ました。銀河の中心から遠く離れた恒星は――光（ひいては質量）が集中している場所から離れているにもかかわらず――目に見える物質の重力だけではつなぎ止められないほど速く動いていたのです。
したがって、銀河の外縁にある恒星の動きを説明するには、何らかの目に見えない物質が追加の重力をもたらしているはずです。ダークマターという考えが視野に入ってきましたが、次に浮かんだのは、それはいったい何なのかという問いでした。
それから40年以上が経った今日、天文学の技術の進歩により、天文学者たちはヴェラ・ルービンの先駆的な研究を大きく発展させ、あらゆる場所で銀河や恒星の運動にダークマターの兆候を見つけてきました。目に見える天体の動きからダークマターの分布を予測でき、その分布はスーパーコンピューターで作られたモデル宇宙と一致します。
こうした観測とシミュレーションから、目を見張るような 認識 が生まれました。宇宙にある目に見える物質は氷山の一角にすぎず、質量全体のわずか15.7％を占めるということです。
しかし、ダークマターが目に見える物質とどう相互作用するかを理解することは、謎の一部にすぎません。ダークマターの正体を突き止める重要な手がかりは、ダークマターが自身と相互作用するのか、するとすればその強さはどの程度かという点です。
それほど暗くない？
では、目に見えない粒子の相互作用をどう調べればよいのでしょうか。答えは、 重力レンズ効果にあります。
カラーで示したダークマターマップ。赤（青）の領域はダークマターの密度が高い（低い）場所を表す。点はDESサーベイで発見された銀河団（銀河団の質量が大きいほど点も大きい）。
ダークエネルギー・サーベイ
大質量の天体は周囲の空間を曲げることがあり、そうなるとレンズと同じように光の進路も曲がります。度の異なる眼鏡があるように、重力レンズ効果にも強いものと弱いものがあります。
ある領域に大量の質量が密集していると、その背後にある銀河からの光は強く曲げられます。これは銀河団の高密度な中心部で起こります。
質量がより広く分布する銀河団の縁では、レンズ効果は弱くなります。そのため、背景銀河の像が明らかに歪むのではなく、その形がより微妙にねじれて見えます。
この効果を確実に捉えるには、背景銀河の何十もの像に見られるねじれを平均するしかありません。弱い重力レンズ効果は観測手法としてはるかに難しいものですが、銀河団の外縁にあるダークマターを地図にできる唯一の方法です。
宇宙での自動車衝突
銀河や銀河団が衝突する様子を調べることでも、ダークマターの自己相互作用を探れます。こうした大質量の天体が互いを通り抜けるとき、それらを構成する物質も相互作用する可能性があります。
この可能性は天体の衝突断面積に基づいています。これは、別の天体との衝突に向けて差し出す標的の面積と考えることができます。また、天体の分布も考慮する必要があります。
たとえば、地上の車は正面衝突する際の断面積が大きいかもしれませんが、道路の交通量が少なければ、実際に衝突が起きる可能性はずっと低くなります。
同様に、恒星は大きな標的に見えるかもしれませんが、銀河内では非常にまばらに分布しているため、実際にはほとんど衝突しません。恒星が太陽にぶつかるまでには、銀河の年齢の10億倍の時間を待たなければならないでしょう！
しかし、恒星の間にあるガスは確実に衝突します（電磁気力によって、微小な粒子の衝突断面積ははるかに大きくなるためです）。したがって、銀河同士が衝突すると、ガスは激しくぶつかり合って壊れた車のように絡み合う一方、恒星は互いをかすめるように通り過ぎます。
ダークマターはこの二つの事例の中間に位置する可能性があります。候補粒子の断面積はガスに比べれば非常に小さいものの、恒星よりは大きいため、衝突後にはダークマターの雲（またはハロー）が恒星の後ろ、ガスの前に続くことになります。
食い違うメッセージ
最近の研究では、重力レンズ効果を使って 衝突する銀河団 のダークマターを地図にし、さらに より詳細な 分析として、アベル銀河団を調べました。新たなダークマターの自己相互作用によって、ダークマターが恒星より遅れているかどうかを確かめるためです。
より大規模な銀河団同士の相互作用では、銀河団のダークマターハローが相互作用した証拠は 見つかり ませんでした（つまり、ハローは依然として恒星に追随していました）。
しかし、より小さなスケールでは、質量のレンズ像が恒星の約4,500光年後方に 検出され ました。
重力レンズの信号をもたらしている質量の大部分、つまりダークマターよりも恒星が先を走っていました。ダークマターが恒星より遅れる距離が大きいほど、ダークマター粒子の断面積も大きいことになり、特定の候補を除外できます。
見える暗闇？
小さなスケールでは、反対方向に進むダークマターの雲と、ダークマターが少なくとも少しは相互作用・衝突するように見えるという暫定的な証拠が得られています。より大きなスケールでは、ダークマターが自身とどの程度相互作用するかについて、これまでで最も厳しい制約が得られました。
この上下限の間には多くの候補が存在しますが、この二つの結果は、天文学者がついに謎に包まれたダークマター粒子を絞り込みつつあることを示唆しています。ただし、候補を一意に確認するには、地球上の実験室でそれを見つける必要があります。
そのため、今回の研究は特に時宜を得たものです。ビクトリア州スタウェルに、南半球初となる世界初の直接ダークマター検出器のための資金が 交付され ました。
SUPL（スタウェル地下物理学研究所）に設置される実験では、ダークマター粒子と原子の衝突を検出し、原因となる正確な粒子を確認して、ついにダークマターを素粒子物理学の光と注目の下に引き出すことを目指します。
この記事は、 The Conversationとの共同制作により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：アラン・ダフィーはスウィンバーン工科大学の研究員です。レベッカ・アレンは、スウィンバーン工科大学で銀河の形成と進化を研究する博士課程候補者です。
画像：NASAマーシャル宇宙飛行センターで撮影された5分間露光の写真に写る彗星。ロイター／アーロン・キングリー。