新たな研究では、経験的データが理論計算と一致しなかったが、これは物理学者が暗黒物質についてまだどれだけ学ぶ必要があるかを示している。
天文学のデータとコンピューターシミュレーションの不一致により、科学者チームは頭を悩ませている。これは現実が理論と一致しない苛立たしい事例である。
研究チームは、暗黒物質の存在を調査するため、いくつかの銀河団の測定を行いました。しかし残念なことに、このデータは理論的なコンピュータモデルと一致しませんでした。その後のScience誌に掲載された論文の中で、著者らは「シミュレーションにおける体系的な問題、あるいは暗黒物質の特性に関する誤った仮定が、今回の結果を説明できる可能性がある」と述べています。
言い換えれば、計画をやり直す必要があるということです。
宇宙には、私たちが実際に目にするよりもはるかに多くの物質が存在します。これは、遠く離れた天体同士の相互作用を見れば明らかです。この失われた物質は暗黒物質と呼ばれ、宇宙の物質の大部分を占めているにもかかわらず、光を放出したり、吸収したり、反射したりしません。しかし、銀河の中で星々を結びつけ、銀河団を形成するなど、捉えどころのない存在にとっては非常に重要な物質です。
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実際、数千もの銀河が密集する銀河団は、暗黒物質を研究するための遠方の実験室として機能しています。銀河団は、その巨大な重力の影響により、暗黒物質の巨大な貯蔵庫となっています。銀河団の周囲を漂う暗黒物質の塊は、暗黒物質ハローとして間接的に検出されるだけでなく、銀河団内に存在する個々の銀河からも検出されます。
もちろん、天文学者はこれらの暗黒物質ハローを実際に見ることはできませんが、目に見えないこれらの塊が光を曲げる様子を観測することはできます。重力レンズ効果として知られるこの現象は、私たちの視線から見て背景の物体を歪ませ、位置を変えます。重力レンズ効果は非常に興味深いもので、例えば、より近くにある銀河に隠れていた銀河を観測できるようになります。重要なのは、周囲にある暗黒物質が多いほど、観測されるレンズ効果が大きくなるということです。
新たな研究のために、イェール大学の天体物理学者プリヤムヴァダ・ナタラジャン氏とその同僚は、ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した11個の巨大銀河団の画像を分析しました。これらの画像は、ヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡（VLT）による分光測定データで補完されました。ハッブル宇宙望遠鏡のデータは、可視光と赤外線の両方で、2011年に同望遠鏡の高性能サーベイカメラと広視野カメラ3によって撮影されました。
ハッブル宇宙望遠鏡と超高層大気圏（VLT）のデータにより、研究者たちは暗黒物質を視覚化することができました。丘、谷、そして誇張された石筍を描いた3Dマップは、ハローの空間分布を示していました。石筍、つまり山なりの領域は、銀河団内の個々の銀河に関連する暗黒物質ハロー（この場合はサブハロー）の位置を示していました。
筆頭著者のマッシモ・メネゲッティ氏を含む研究チームは、この高精度データを用いて、同様の質量と距離を持つ銀河団の理論に基づくコンピューターシミュレーションと比較しました。その結果は天文学的データとは一致せず、ハッブル宇宙望遠鏡の画像には、シミュレーションで生成されたものよりも小さなレンズ構造が検出されたと研究者らは述べています。
「現実の宇宙には、現在の理論モデルでは捉えきれない特徴があります」と、ナタラジャン氏はイェール大学のプレスリリースで説明した。「これは、暗黒物質の性質とその特性に関する現在の理解にギャップがあることを示している可能性があります。この精巧なデータによって、最小スケールにおける暗黒物質の詳細な分布を探ることが可能になったからです。」
カリフォルニア大学バークレー校の物理学者ボブ・ジェイコブセン氏（今回の研究には関与していない）は、ハッブル宇宙望遠鏡のデータと現在の暗黒物質理論によって作成された2つの地図は矛盾しているように見えると述べた。興味深いことに、ジェイコブセン氏は、どちらの地図の作成も計算とシミュレーションに「大きく依存している」と述べた。
「これは、計算モデルやシミュレーションの改善と理解に重要なプレッシャーをかけることになるでしょう」とジェイコブセン氏はメールで説明した。「固体の測定はそうした結果をもたらす傾向があります。しかし、これが計算やシミュレーションについて何かを示唆しているのか、それとも暗黒物質に関する根本的な何かを示唆しているのかはまだ分かりません。」
別の研究者は、この宇宙科学がいかに複雑であるかを強調した。
「暗黒物質に関する私たちの現在の理解には、まだ多くの欠落部分があります」と、今回の研究には関与していないマックス・プランク地球外物理学研究所の天体物理学者エスラ・ブルブル氏は述べています。「本研究で示されたように、最先端のシミュレーションを比較し、既存の暗黒物質モデルを高品質データで検証することで、この複雑なパズルの解明に一歩近づくことができます。」
確かに苛立たしい結果ですが、それでも結果です。そして、ヤコブセンが示唆したように、私たちはこの件についてもっと賢くならなければなりません。暗黒物質の謎を解くには、深宇宙でのさらなる観測と効果的な数値計算が必要になります。必要なのは、どの数値を計算すべきかを知ることだけです。
