モンスタースターの光の中に、一抹の闇 | クアンタマガジン

昨年XNUMX月、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がエリダヌス座近くの空を初めて長時間露光したとき、天文学者たちは、宇宙の最も深い窪みから出現したように見える、薄暗く明滅する光点の物語をつなぎ合わせ始めた。

それが何であれ、それは超新星であるにはあまりにも長い間輝いていました。 単一の星もテーブルから外れました。 「あなたはおそらくこれらのCSI映画のいずれかに出演していて、刑事になっているような気がします」と彼は言いました ホセ・マリア・ディエゴ、スペインのカンタブリア物理学研究所の天体物理学者で、信号の解読に取り組んだ。 「たくさんの容疑者がいるから、一人ずつ排除しなければならないんだ。」

ディエゴと彼の同僚は最近、かすかな光の汚れは次のものから来ているようだと報告しました。 極端な星系 彼らはモスラと名付けた。この一対の超巨大星は、10億年前の全盛期には、銀河系のほぼすべての星を上回っていた。

当時、宇宙全体は地球が今より若かったです。 私たちの惑星が合体し始めたのは、モスラの光子がちょうどその光を捉えるのにちょうど間に合うように巨大な赤外線感知宇宙望遠鏡を開発する世界への宇宙の旅の中間点に達した後でした。 個々の恒星系が発する光を検出することは、昔は不可能でした。 しかし、カイコガにインスピレーションを得た怪獣にちなんで名付けられたモスラは、天文学者たちがJWSTとハッブル宇宙望遠鏡からの画像で発見した、史上最古、史上最遠、一般的には最上級の星系の最近の一連の最新のものにすぎない。 そして、ひねりを加えれば、モスラとその野獣の仲間たちは、それ自体が興味深い天体物理学的天体である一方で、ディエゴを最も興奮させるのは、怪物星の光が、モスラと地球の間に浮かぶ全く異なるクラスの天体を明らかにしているように見えることです。彼と同僚が計算した暗黒物質の塊の重さは、太陽の質量の10,000万倍から2.5万倍である。

もしそのような物体が本当に存在すれば（現時点では暫定的な結論だが）、物理学者が暗黒物質に関する理論を絞り込むのに役立ち、もしかしたら、もしかしたら、もしかしたら、宇宙の未解明の質量の謎を解明できるかもしれない。

2023年の時点で、個々の暗黒物質粒子を追跡する研究室の取り組みは空振りに終わり、一部の天体物理学者は、人間がこの謎の物質にノギスを付ける唯一の方法は、より広い宇宙に対するその重力の影響を研究することかもしれないという、厳しい現実的な疑惑を残している。 そこでディエゴらのチームは、宇宙に存在する暗い物体の幽霊のような輪郭を探している。 彼らは、存在する暗黒物質の最小の塊を特定したいと考えています。これは、暗黒物質粒子自体の基本的な物理学に依存します。 しかし、純粋な暗黒物質の塊は、天文学者の前に姿を現すだけではありません。 チームは観察のトリックを使って、そのような影を影から説得します。 現在、天文学者たちは、空間をゆがめる重力レンズ（モスラを明らかにした目に見えない暗黒物質が支配する虫眼鏡のようなもの）から、はるかに近いところではためくリボンのような星の流れに至るまで、さまざまな宇宙現象に焦点を当てている。 これまでのところ、これらの取り組みにより、「暖かい暗黒物質」と呼ばれる人気のある一連のモデルの多くの亜種が排除されています。

「暗黒物質には触れられない」 アンナ・ニーレンバーグ、カリフォルニア大学マーセド校の天体物理学者であり、JWST を使用して暗い星間塊を探索しています。 しかし、それから作られた小さな構造物を見つけたでしょうか？ 「それはあなたができる限り近いことです。」

ハロー、ハロー、ハロー

暗黒物質について私たちが知っていることはほとんどなく、曖昧でぼやけた輪郭の中に存在しています。 数十年に及ぶ証拠は、重力理論が不完全であるか、あるいは天体物理学者がより一般的に主張しているように、暗黒物質粒子が宇宙に出没していることを示唆している。 ある古典的な観察では、星は、目に見える物質が示唆するよりもはるかに強い重力につかまっているかのように、銀河の郊外を駆け回っているように見えました。 これらの星の動きを測定し、特別な重さの空間領域を特定する他の技術を適用することにより、天文学者は宇宙の暗黒物質がどのようにより大きなスケールで分布しているかを視覚化することができます。

ニーレンバーグ氏は、「もし私たちがダークマターゴーグルを持っていたら、すべての銀河の周りに、おそらく銀河そのものよりもはるかに大きい、大きくてぼやけた、伸びたスイカのような形の構造」が見えることになるだろうと語った。 天文学者らは、私たち自身の天の川銀河の場合、ハローと呼ばれるこの拡散した暗い繭の重さはおよそ太陽質量 10 兆個分あり、銀河の星が渦巻く円盤よりも XNUMX 倍以上広いと推定しています。

ただし、より小さなスケールにズームインすると、科学的な確実性が崩れます。 天の川銀河の暗黒物質ハローは滑らかなシュメアですか? それともサブハローと呼ばれる塊状に配置されているのでしょうか？ もしそうなら、それらの塊はどれくらいの大きさですか?

この答えにより、科学者は暗黒物質の本当の性質を特定できる可能性があります。 宇宙がどのようにして現在の構造（真珠光沢のある銀河の糸が織りなす宇宙の網）を進化させたかのモデルは、暗黒物質の粒子が、それが何であれ、ビッグバン後の最初の数十万年間に、重力で束縛された小さな塊に集まったと予測している。 それらの塊の多くは合体し、最終的には目に見える物質を引き込みました。 それらは銀河の種へと成長しました。 しかし、合体しなかった最小の暗いハローの一部は「初期宇宙の構造形成の残骸」としてまだ存在しているはずだ、と同氏は述べた。 イーサン・ナドラー、カーネギー天文台と南カリフォルニア大学の天体物理学者。 「タイムマシンのようなものですね。」

これらの遺物の塊を見つけて計量することは、物理学者が暗黒物質の基本物理学、つまり謎の粒子の質量とその「温度」（個々の粒子の雲が飛び回る速度を表すやや誤解を招きやすい用語）の把握を強化するのに役立つだろう。

暗黒物質の謎の主要な容疑者の XNUMX つは冷たい暗黒物質です。これは、犯人が比較的重く動きの遅い粒子であるモデルのクラスです。 その一例は、弱く相互作用する大質量粒子 (WIMP) です。 これらの理論が正しければ、そのような粒子は宇宙初期に容易に自己重力の塊を形成し、その中には地球の塊と同じくらい小さかったものもあっただろう。 今日でも、これらの暗黒物質の小さな後光は、天の川のような銀河のより大きな集合的な後光の内部および周囲に漂っているはずです。

しかし、競合するクラスの「暖かい」ダークマターモデルが示唆するように、より軽いダークマター粒子が初期宇宙をより速く飛び回っていたとしたら、より重い重力を持ったより大きな塊だけが形成された可能性がある。 これらのモデルは、暗黒物質構造には限界があり、それ以下ではハローが存在しない最小質量があることを示唆しています。 そのため、誰かが新たな既知の最小のダークハロー（地球とモスラの間にあると言われているものなど）を発見するたびに、理論家は徐々に涼しいシナリオを除外することを余儀なくされます。

ファジィ暗黒物質と呼ばれる別の人気のあるモデル クラスは、暗黒物質粒子のささやき (おそらく 10 個) を想定しています。²⁸ 電子の何倍も軽い。 たとえば、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子は、このサイズ範囲にあり、比較的低温である可能性があります。 これらのフェザーウェイトは粒子というよりは波のように振る舞い、銀河を横切って波打つでしょう。 暖かい暗黒物質のように、この波のような化身は、銀河よりも小さな質量スケールでは重力で束縛された塊を形成しません。 しかし、超軽量の暗黒物質には別の意味があるだろう。 曖昧な暗黒物質の波がハロー内で互いに重なり合うと、それらは顆粒と呼ばれる小さな干渉パターン（暗黒物質の密度が高く、粒状に見える領域）を形成する可能性があり、それが独自の測定可能な重力の特徴を伝えることになります。

これらの理論の一部を除外するには、ますます質量が小さくなる暗黒物質のハローを発見するか、あるいは明らかに見つからないことが必要です。 探索は、矮小銀河を取り囲むことが知られている最も小さなハロー、つまり依然として数億太陽質量の重さがある暗黒物質の塊を特定することから始まり、現在は未知の領域に向かって進んでいる。 しかし、問題は、これらの仮説上の小さな暗いハローには、通常の物質を引き付けて星を点火するのに必要な重力がおそらく不足しているということです。 それらは直接見ることができず、単なる重い影に過ぎません。 「証拠を求めて捜査が続いている」と述べた。 マシュー·ウォーカー、カーネギーメロン大学の天体物理学者。 「ただ、見つけるのが難しいんです。」

レンズから学ぶこと

今日の最も高度な小さくて暗いサブハローの探索は、ほとんど奇跡的な現象である重力レンズに便乗しています。 アインシュタインが予測したように、重力レンズは巨大な物体を取り囲む歪んだ時空の領域です。 その物体の重力場、つまりレンズは、虫眼鏡でアリの像を拡大したり、火を起こすのに十分な太陽光を集中させたりするのと同じように、背景の光を歪ませて集中させます。

それぞれのレンズ調整には、宇宙の彼方から輝く光源とレンズ自体が含まれます。 多くの場合、これらのレンズは、時空を歪め、宇宙的な偶然によって、遠く離れた源と地球の間にたまたま位置する巨大な銀河または銀河団です。 レンズは、光の弧から同じ背景光源の複数のコピー、遠すぎて見えない物体の高倍率画像まで、さまざまな光学効果を生み出します。

2017 年に天文学者が写真を撮影したのは、レンズを通した宇宙を通してのみでした。 Icarus、約9億年前に明るく燃えた星。 最近では、最古の星の現在の記録保持者である約13億年前のエレンデルを発見した。 できるだけ多くの光を放つ それ自体は1万個の太陽と同じです。 彼らはまた、恐ろしいほどエネルギーに満ちた遠くの星であるゴジラも発見した。 爆発的な爆発が起こる、およびゴジラの仲間の怪獣モスラも同様の種類の可変オブジェクトであると思われます。 （「そして、はい、私たちはこれを楽しんでいます」とディエゴはチームの命名プロセスについて語った。）

しかし、重力レンズは宇宙の裏側への単なる入り口ではありません。 ダークマターハンターは長い間、このレンズが拡大するものと少なくとも同じくらい興味深いものであると考えてきました。 レンズが背景画像を歪めたり歪めたりする正確な方法は、レンズ銀河または星団内およびその周囲に質量がどのように分布するかに対応します。 もし暗黒物質が、銀河サイズのハローの既知のパターン内にある星のない小さな塊の中に存在するのであれば、天文学者はそれらの塊の周りで光が曲がっているのも観察できるはずだ。

この方法で検出された最小の暗いハローは、すでに矮星銀河の周囲で測定された最小のハローに匹敵します。 2020年、ニーレンバーグ氏を含むチームは、ハッブル宇宙望遠鏡とハワイのケック天文台を使用して、ブラックホールに落ち込む物質によって発せられる輝く光の標識であるクエーサーの拡大画像を観察した。 数億太陽質量ほどの小さな暗いハローの証拠を発見。 これは、最小の銀河に関連する大まかなハローのサ​​イズと同じであり、ナドラーが述べた統計的一致レベルです。 調査 この理論は、電子の約 1/50 よりも軽い粒子で構成される暖かい暗黒物質モデルを除外するために使用され、そのような小さな塊は決して形成されません。

一方、今年は、XNUMXつのチームがレンズ付きクエーサーを使用して、毛羽立った羽ほどの重さの暗黒物質粒子の粒子を探した。筆頭著者によると、この粒子はプールの表面に波紋が現れるのと同様のプロセスを通じて形成されるという。これらの研究のXNUMXつでは、 デボン・パウエル マックス・プランク天体物理学研究所の博士。 「非常に混沌とした、でこぼこの問題の分布がわかります」と彼は言いました。 「ただの電波干渉ですよ」

彼のチームの分析はXNUMX月に出版された。 王立天文学会の毎月の通知、証拠は見つかりませんでした 波状暗黒物質効果 これは、XNUMX つの重力レンズからの光の弧の高解像度画像で、この暗黒粒子が最小のあいまいな候補よりも重いに違いないことを示唆しています。 しかし、XNUMX月の研究では、 自然天文学、 によって導かれて アルフレッド・アムルース 香港大学の博士らは、背景クェーサーのレンズ付きコピー XNUMX つを調べ、反対の結論に達しました。つまり、レンズは曖昧な暗黒物質でできている、と彼らは主張しました。 もっとよく説明された データの小さな変動。 (予想されるシグナルが微妙であり、実験的アプローチが新しいことを考えると、矛盾した発見はまったく驚くべきことではない、と両チーム外の専門家は語る クアンタ.)

一方、ニーレンバーグ氏らは昨年、JWSTを使ってクェーサーを拡大する重力レンズの観察に取り組み、XNUMX月に最初の解析結果を発表するという暫定的な目標を掲げた。 理論的には、レンズ内の小規模な構造を明らかにするJWSTの能力により、ダークハローが太陽質量数千万の範囲のサイズの完全に目に見えない星のない塊として存在するかどうかが明らかになると計算されています。 もしそうなら、それらのハローは、暗黒物質がどれほど「暖かい」かについてこれまでで最も強い制約を課すことになるでしょう。

重力レンズを通してモスラのような遠く離れた極度の星を観察するこのさらに新しい方法は、間もなく、一度限りの珍品を特定することから、JWST 時代の天文学の定期的な特徴になるかもしれません。 ディエゴと彼の同僚の意見が正しく、数百万太陽質量未満の暗黒物質の塊によってレンズがかけられているためにモスラが見えるのであれば、その観測だけで広範囲の暖かい暗黒物質モデルが除外されることになる。 しかし、それは依然として冷たい暗黒物質と曖昧な暗黒物質の両方をサポートするだろうが、後者の場合、モスラの余分な倍率が重力で束縛された塊ではなく暗黒物質の密集した粒子から来ている場合、依然として曖昧な暗黒物質を狭い範囲に押し込むことになるだろう。可能性のある集団の。

ディエゴ氏によると、天文学者たちはハッブルとJWSTを使ってさらに多くのレンズのある星を発見しており、小さな暗い天体の周囲で星の光が曲がることから生じる可能性のある他の異常な光学的歪みに注意を払っているという。 「私たちは表面をなで始めたばかりです」と彼は言いました。 「最近はあまり休暇を取っていません。」

星の流れの中の暗い島々

小さな暗黒物質ハローの他の探索は、はるかに近い星、つまり天の川の近くの流星や近くの矮小銀河の連星に焦点を当てています。 2018年には、 アナ・ボナカ現在、カーネギー天文台の天体物理学者である彼は、天の川銀河にある約2億個の星の動きを測定する欧州宇宙機関のガイア宇宙船からデータをダウンロードしようと競い合った。 ボナカはこれらの初期観測を整理し、GD-1 と呼ばれる構造に属する星からの情報を分離しました。 彼女が見たものは「すぐにとても興奮した」と彼女は言いました。 「私たちは来週くらいに論文を書くことにしました。」

GD-1 は星の流れであり、肉眼で見つけることができれば、夜空の半分以上に広がる天の川の星がゆるやかに連なったものです。 これらの星は、はるか昔に球状星団から放出されました。 彼らは現在、その星団の両側で天の川を周回し、星間航路を示すブイのようにその道の前後を揺れ動いています。

彼らの分析では GD-1 の研究で、ボナカのチームは、交差する暗黒物質の塊の理論上の指紋を発見しました。 具体的には、GD-1 の一部が、あたかも巨大な目に見えない物体が道を誤って通り抜け、星々を引きずったかのように、XNUMX つに分割されたように見えました。 彼らの計算によると、その通過する物体は、数百万太陽質量の重さの暗黒物質のサブハローであった可能性があり、これは推定上の暗黒物質の塊の最小の候補であり、暖かい暗黒物質のよりトーストな変種に対する潜在的な脅威でもある。

しかし、単一の結果をより統計的なものに変換するにはどうすればよいでしょうか? ボナカ氏によると、これまでに天文学者らは約 100 個の星の流れを記録しているという。 詳細に研究されたものはほんの一握りですが、精査されたそれぞれの物体には、同様に小さくて暗い物体との重力遭遇によって生じる可能性のある独自の異常なねじれや曲がりがあります。 しかし、観察はまだ決定的なものではありません。

「前進する最善の方法は、ストリームを同時に分析して、どれだけの[異常な特徴]が暗黒物質から来ているかを理解することだと思います。」と彼女は言いました。

さらに小規模なスケールでは、カーネギーメロン大学のウォーカー氏は、彼が見つけることができる最も壊れやすい星系を探して、昨年、矮銀河のJWST観測をスキャンしてきました。それは、非常に遠く離れていて、ゆるやかな重力の抱擁で一緒に保持されている連星です。 小さな暗いハロー（冷たい暗黒物質モデルが大量にあるはずだと主張する種類の天体）が継続的に通過し、周囲に重力を及ぼす場合、これらの非常に幅の広い連星は存在しないはずです。 しかし、ワイドバイナリが実際に現れた場合、それは小さなダークハローが存在しないことを示唆しており、それらを予測する多くの冷たい暗黒物質モデルに対してボディーブローを打つことになります。

「これは私が銀河系未満の暗黒物質ハローのアンチサーチと呼んでいるものです」とウォーカー氏は語った。

壁の中を移動する

宇宙の影の探索は、これまで手の届かない存在を突き止めようとする大規模な取り組みのほんの一部に過ぎない。 ぼんやりとした暖かい、冷たい暗黒物質のパラダイムに適合する粒子を捕捉することを目的とした地球ベースの実験が本格的に開始されました。 研究チームは、粒子が通常の物質と相互作用する場合に生成される副産物から、暗黒粒子がどのように相互作用するかに依存する、暗黒ハロー内で暗黒物質の密度がどのように増減するかという微妙な問題まで、暗黒物質物理学の他の特徴を依然として探している。お互いに。

トレーシー・スレイターマサチューセッツ工科大学の理論物理学者である彼は、暗黒物質の謎を、無数の可能性に満ちているが、正しい答えが XNUMX つしかない巨大な箱として視覚化しています。 このアナロジーで言えば、彼女の戦略は、暗黒物質粒子の特性に関する具体的で反証可能なアイデアを用いて、そのボックスに深く切り込むことです。 しかし、箱の側面は、暗黒物質がどの程度暖かくなり得るかについての上限や、暗黒物質がどれほど曖昧であるか、つまり軽量であるかについての下限など、天文学者が提供できる唯一の真の閉じ込め事実を表している。

もし天文学者たちが、太陽質量XNUMX万倍の範囲にある完全に暗い宇宙の物体を自信を持って検出できれば、それは「観測の傑作」になるだろうとスラティア氏は語った。 「それは信じられないことでしょう。」 彼女の箱の壁は内側に移動し、可能性のために利用できるスペースが縮小します。

今後のテクノロジーにより、これらのさまざまな探索が、初期の暗闇での調査から、宇宙を支える影の構造へのより深い侵入へと間もなく変わるかもしれません。 JWST は今後数年間で重力レンズの研究を深めていく予定です。 たとえば、ニーレンバーグ氏のグループは、そのようなシステム 31 台で開始しましたが、最終的にはそのうち 2027 台を分析する予定です。 ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、はるかに広い視野を備えたハッブル級天文台で、2024年に打ち上げられると、ウォーカー氏が行っているように、矮小銀河の間をパンすることがはるかに簡単になるはずだ。 ベラ・C・ルービン天文台は、そもそもその観測によって研究者たちが暗黒物質の謎を真剣に受け止めるようになった先駆的な天文学者の名前にちなんで名付けられており、XNUMX年にチリから観測を開始すれば、星の流れの詳細が明らかになるだろう。暗い基礎構造を探し出すことができる何千もの新しい重力レンズが見つかるはずだ。

これまでのところ、宇宙にはますます小さな物質の塊が散らばっていると予測する一般的な冷たい暗黒物質モデルを覆す観測はまだ出ていない。 天文学者たちがこれらの塊を探し出すという過酷な作業を続ける中、多くの理論家や実験家は、地球上での素粒子物理学実験がより早く謎の核心に迫ることを期待している。 しかし、これらの孤立した闇のポケットとそれに伴う複雑な物理学を明らかにすることは、「よりきれいな実験室を手に入れる」ようなものだとスラティア氏は言う。 「私たちはエキサイティングな時期にいます。」