あなたがギタリストなら、特定の音程で音を出したとき、たちまちそれに合わせるように近くのギターが弦を鳴らす現象を聞いたことがあるかもしれない。また多くの人たちは、ラジオを聴くために特定の局の周波数に合わせたことがあるだろう。これらは「共鳴」によって成り立つ現象であり、自然界にありふれているものだ。

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構の主任研究者でカルフォルニア大学バークレー校教授の村山斉は、謎に包まれているダークマターの性質を説明するために、音楽から「共鳴」のアイデアを得て、応用してみようと考えたという。

宇宙の約80パーセントを占めるとされるダークマターは、構造の違いによって異なる振る舞いをすることが観測により明らかになっている。たとえば、ごく小さな矮小楕円銀河にあるダークマターは、銀河の中心部に密集しておらず、銀河の端から中心部にかけて緩やかな密度の増加がみられる。

その一方で、たくさんの銀河が密集する銀河団のダークマターは、まるで銀河の群れを引き付けるかのように、大構造の中心部に高密度で分布しているという。

矮小楕円銀河のような小さな銀河ではダークマターが中心部に集中していない（写真左）。銀河団のような大きい構造では、ダークマターは中心部に高密度で分布している（写真右）。PHOTOGRAPH COURTESY OF KAVLI IPMU/NASA, STSCI

今回『Physical Review Letter』の最新号で発表された論文では、ダークマター粒子が特定の速度でぶつかり合うときだけ「共鳴」を起こし、散乱する性質について模索している。このモデルは、矮小楕円銀河と銀河団のダークマターのように、異なる振る舞いをするダークマターの分布をうまく説明できるのだという。

「もしダークマターが、低質量かつ特定の速度で互いに散乱する性質をもつならば、ゆっくり動いている矮小楕円銀河でこのようなダークマターの散乱が起きるはずです。しかし、速く動いている銀河団では、めったにそのようなことは起きなくなります」と、オーストリア科学アカデミーのシャオヨン・チュウ博士は説明する。

謎の解明に「いちばんシンプルな説明」

もし「重力」がダークマターを引き付ける唯一の力であり、ダークマター粒子に反発し合う特性がないとすると、ダークマターの分布はどのような銀河にとっても中心部が高密度になるはずだ。しかし、観測データはそうではないことを示している。ダークマター粒子が「特定の速度」で衝突するときにだけ、ビリヤードのボールのように散乱する「共鳴現象」が起こるなら、粒子がより均等に広がっている矮小楕円銀河の分布を説明することができる。

「はじめはこのアイデアが、観測データを表現できるかどうか少し懐疑的でした。しかし、一度それを試してみると、まるで魔法のようにうまく説明できることがわかったのです」と、ドイツ電子シンクロトロン研究所（DESY）のカミロ・ガルシアセリー博士は言う。「同様の現象を起こすシステムは自然界にたくさんあります。たとえば、アルファ粒子はベリリウムと共鳴を起こし、それが次に炭素の共鳴を起こします。これが地球上に生命をもたらしたビルディングブロックとなったのです」

村山教授によると、「共鳴」を基にしたダークマターの解釈は、「謎の解明にいちばんシンプルな説明」だという。「ダークマターの性質がどのようなものか近いうちにわかるかもしれないので、とてもわくわくしています」

ダークマターの性質の一部を解明できるか？

しかし、この「共鳴」モデルは、矮小楕円銀河の運動に特有の、比較的ゆっくりとした速度でしか起こり得ないそうだ。では、この共鳴現象、なぜ大きな銀河では見られないのだろうか？

「巨大なダークマターのハローに取り囲まれている大きな楕円銀河の場合、ダークマターは共鳴が起こり得る非常にゆっくりとした速度を保つことができません」と、チュウ博士は『WIRED』日本版の取材に説明している。「ダークマターハローが平衡状態を保つには、ダークマターのランダム運動によって生成される圧力が、重力とのバランスをとるのに十分な大きさである必要があるためです。つまり、重力がより強い銀河のダークマターハローは、通常、より速く運動していなければならないのです」

さて、「共鳴」モデルは、謎に包まれているダークマターの性質の一部を解明することができるだろうか？ 研究チームの次のステップは、彼らの理論をサポートする観測データを見つけることだ。

「この観測には新しいスペクトログラフを必要とします。計画通りにいけば、2022年には観測が始まるでしょう」と、村山教授は『WIRED』日本版の取材に答えている。「もしこの説が本当なら、将来、異なる銀河の精密観測は、ダークマターの散乱がその速度に依存することを明らかにするかもしれません」