研究者たちは、私たちが見ることができる最古の光のレンズ効果を研究し、120億年前の銀河を取り囲む、これまで観測された中で最も古い暗黒物質を発見した。
彼らは、ビッグバン直後から観測可能な最古の放射線である宇宙マイクロ波背景放射の光が、いくつかの銀河によってどのように歪められているかを観察することで、この暗黒物質を発見しました。ビッグバンは、私たちが知る現在の宇宙の始まりとなりました。研究チームの研究は、Physical Review Letters誌に掲載されています。
「多くの研究者は、現在から80億年前までの暗黒物質の分布を測定するために、源銀河を用いています」と、東京大学宇宙線研究所の天文学者で、今回の論文の共著者でもある張兼雄一氏は、名古屋大学の発表で述べています。「しかし、より遠方のCMBを用いて暗黒物質を測定したため、より過去を遡ることができました。私たちは初めて、宇宙のほぼ最初期の瞬間から暗黒物質を測定したのです。」
暗黒物質は宇宙の約27%を占めていますが、直接検出することはできません。その正体が不明であるため、暗黒物質とは、重力の影響によって巨大なスケールで観測される、説明のつかない質量の総称です。
暗黒物質の有力な候補としては、WIMP（弱い相互作用をする巨大粒子）と呼ばれる小さな粒子や、さらに微小なアクシオンと呼ばれる粒子が挙げられます。WIMPとアクシオンの両方が暗黒物質を構成する可能性は十分にあります。暗黒物質の探索は現在も進行中ですが、その間も天文学者は広大なスケールでその影響を観測することができます。
暗黒物質は、銀河団を結びつける目に見えない接着剤のような役割を果たしています。また、より遠くの光に対するレンズとして機能し、古代の天体を観測できるように拡大します。謎に包まれている一方で、暗黒物質は初期宇宙の研究においても大きな恩恵をもたらしています。
そのため、ウェッブ望遠鏡が最近銀河団 SMACS 0723 を撮影したとき、実際には、ビッグバンから 3 億年後に形成された、これまでに観測された中で最も古い銀河を含む、SMACS 0723 によって拡大されたより古い銀河すべてを観察していました。
これまでの研究では、重力レンズ効果を通して短波長域、主に可視光線や赤外線の波長域の天体が観測されてきました。しかし、私たちが観測する宇宙背景放射（私たちが観測できる最も古い光）は、電磁スペクトルのマイクロ波領域に属します。この光は当初は超高エネルギーでしたが、宇宙の膨張によって時間とともに引き伸ばされ、今日ではかすかなマイクロ波の輝きとしてしか見えません。
最近の研究では、研究者たちは可視光で150万個のレンズ銀河を特定しました。その後、マイクロ波光を観測できる望遠鏡（ESAのプランク衛星）を用いてこれらの銀河を観察し、より近い銀河の周囲にある暗黒物質がより古いマイクロ波光をどの程度歪ませているかを計測しました。
「この結果は、銀河とその進化、銀河内外の暗黒物質、そしてこの図が時間とともにどう進化するかについて、非常に一貫した図式を与えている」と、プリンストン大学の天文学者で研究共著者のネタ・バコール氏は同発表で述べた。
研究チームはまた、宇宙の特定の領域における暗黒物質が、標準的な宇宙論によればあるべき姿よりも凝集性が低いことも発見した。
「私たちの発見はまだ不確かなものです」と、名古屋大学の天文学者で論文の筆頭著者である宮武宏尚氏は発表の中で述べています。「しかし、もしこれが真実であれば、モデル全体が時間を遡るにつれて欠陥を抱えていることを示唆することになります。不確実性を減らした後もこの結果が維持されれば、モデルの改良を示唆し、暗黒物質そのものの性質についての洞察をもたらす可能性があるので、非常に興味深いことです。」
将来的には、近々建設されるルビン天文台のデータが、夜空の広大な範囲を高解像度で撮影し、宇宙のさらに古い部分を容易に観察できるようにしてくれるだろう。
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