遠方の宇宙からやってくる光のレンズ効果による「アインシュタインリング」を研究している科学者チームは、リングの特徴が背景の銀河に存在する暗黒物質の種類を示していることを発見した。
具体的には、研究者たちは遠方のクエーサーHS 0810+2554のレンズ画像を観察し、波動状の暗黒物質の存在を発見しました。この研究は本日、Nature Astronomy誌に掲載されました。
「私たちの研究では、波状暗黒物質による予測を初めて検証しました」と、香港大学（九龍）の天体物理学者で本研究の筆頭著者であるアルフレッド・アムルース氏は、ギズモードへのメールで述べています。「これは波状暗黒物質に関する独自の予測であり、アインシュタインの重力レンズ効果の予測をツールとして用いています。」
少し立ち止まってみましょう。暗黒物質は宇宙の約27%を占めているようですが、科学者たちはそれが何なのか分かっていません。暗黒エネルギーは宇宙の約68%を占めており、暗黒物質と共に「宇宙における説明のつかない物質」という大きなカテゴリーに分類されています。
科学者たちは、暗黒物質の存在を、その重力効果によって知っています。この効果は大規模なスケールで観測可能です。銀河の運動や周囲の光の歪みを観察すると、私たちが実際に目にしているよりも多くの物質が存在することは明らかです。しかし、それが何であれ、私たちには見えず、通常の物質と相互作用することもほとんどないようです。
アインシュタインリングは、重力によって光が歪む現象の一つです。遠く離れた光源から発せられた光が宇宙空間を伝わり、質量の大きい物体を通過すると、光は介在する物体の重力場によってその物体の周囲に曲げられます。場合によっては、曲げられた光が私たちの視点から見て物体の周囲にほぼ完璧なリングを形成し、通常は見えないものも見えるようになります。
ダークマターの有力候補はいくつかあります（そして、これはゼロサムゲームではありません。宇宙のダークマターに寄与している候補は複数ある可能性があります）。弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）は、質量を持ち、粒子のように振る舞うものの、通常の物質とはほとんど相互作用しない理論上の存在であり、そのため特定できません。
もう一つの有力候補は、洗濯用洗剤にちなんで名付けられた理論上の粒子（正確にはボソン）であるアクシオンです。アクシオンはWIMPよりもはるかに小さく、光子のように粒子というより波のように振舞うと理論化されています。
新たな研究で、研究チームは天文学における長年の難問、すなわちレンズ効果を受けたクエーサー（恒星のように見える遠方の銀河）の明るさが変動する理由を解明しようと試みました。アムルース氏によると、WIMPに基づくモデルでは多重レンズ効果を受けたクエーサーの明るさを再現することが困難です。しかし、研究者たちは、波動性暗黒物質がHS 0180+2554と呼ばれるクエーサーの明るさの異常を確実に再現できることを発見しました。
この新たな発見は「間違いなく、アクシオンがDMの候補である可能性を示唆しており、人々はWIMPパラダイムを捨て去ることを学ばざるを得ない」とアムルース氏は述べた。「いずれにせよ、この発見は素粒子物理学の標準模型を超えた新たな物理学について考えることを迫るものだ。」
暗黒物質は、4つの基本的な力と私たちが知る最小の粒子の挙動を記述する包括的な理論である標準モデルでは考慮されていません。また、このモデルは、原子核より下のスケールでは存在しないと思われる重力も考慮していません。このため、暗黒物質（波動性のものも質量のあるものも）が重力によって周囲にどのような影響を与えるのかという疑問がさらに生じます。
研究チームは、暗黒物質モデルのシミュレーション画像において、WIMPモデルがアインシュタインリングに滑らかな曲線を描くことを予測したのに対し、波状暗黒物質モデルはリングの縁にはるかに混沌とした、不定形な形状を予測した。この混沌とした縁は、クエーサーで観測される輝度の変動と対応している。
研究チームはクエーサー1つをテストしたばかりだが、「これは、波状暗黒物質が、様々な系で見られる幅広い重力レンズ異常に一般的に当てはまる可能性を示唆している」とアムルース氏は述べた。研究チームは現在、重力レンズ効果を受けた超新星の輝度異常に注目しており、初期の結果は、波状暗黒物質がその原因である可能性を示唆している。
これは、WIMPy 暗黒物質が存在しないことを意味するのではなく、少なくとも一部の重力レンズに関係する暗黒物質ではないと思われるというだけのことである。
さらなる観測とモデリングを行う必要がありますが、宇宙空間（ウェッブ宇宙望遠鏡）および間もなく建設される新しい観測所（ルビン宇宙望遠鏡とローマン宇宙望遠鏡）により、暗黒物質とその性質に関するいくつかの疑問はすぐに解決されるかもしれません。
続き：ウェッブ望遠鏡が重力レンズ効果を利用してパンドラ星団を精査
