ダークマターの正体とは何なのか？ その道の研究者にこの質問を投げかけてみれば、返ってくるのはおそらくため息だろう。

宇宙の総質量の約85パーセントを占めると言われている正体不明の物質、ダークマター（暗黒物質）は、光の反射も吸収もせず、われわれの知るすべての電磁波の周波数を使った観測でも決して見ることができない。

一方で、重力を通して通常の物質と相互作用するので、われわれはその存在を間接的に知ることができる。アインシュタインの一般相対性理論が予測する「重力レンズ効果」の通り、その重力でもって時空に歪みを生じさせ、周辺を旅する光の経路をねじ曲げてしまうからだ。

また、銀河の回転速度は、観測可能な物質の総質量から計算できる速度よりもずいぶん速いことがわかっている。このことからダークマターは、回転する銀河内の星々が遠心力で飛ばされずに済むほどの重力を補っていると考えられている。

このように奇妙なふるまいをする暗黒物質は、これまでどんな手段をもってしても直接観測できたことがない。このため、よもや重力を説明する新しいアイデアが必要だと「ダークマターなど存在しない」という学説まであるほどだ。

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しかし、このたび発表された2つの論文は、暗黒物質を必要としないモデルを説明するために力学の法則に変更を加えた「修正ニュートン力学」を基盤とするすべての仮説を否定し、ダークマターの確かな存在を示す観測結果を明らかにしている。これにより、実在するかどうかを焦点とするダークマター論争に終止符が打たれるかもしれない。

銀河形成理論を揺るがす「ダークマターを含まない2つの銀河」

昨年、ダークマターを含まない銀河「NGC1052-DF2（DF2）」の発見が報道されたのは記憶に新しい。それまで銀河や銀河団の観測には必ずと言っていいほどダークマターの影響がみられ、これらの結果から、すべての銀河はダークマターの繭の中で育まれるものだと思われていた。

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ダークマターを含まない銀河「NGC1052-DF2（DF2）」の様子。PHOTOGRAPH BY ESA/HUBBLE

ところが今回、ダークマターをほとんど含まないふたつ目の銀河「NGC1052-DF4（DF4）」が、同じ宇宙領域で、しかも1年を待たずに見つかり、「The Astrophysical Lournal Letters」で発表された。これにより、このような銀河が数多く存在する可能性が浮上した。

「見つかったのがひとつだけなら、いくら何度も見直していたとしても、心のどこかで『もしかしたら間違いかもしれない』という疑念が常につきまといます」と、研究チームを率いたイェール大学の天文物理学者ピーター・ヴァン＝ドッカムは言う。

従来の銀河形成理論が揺るがされている

DF2とDF4のふたつの銀河は、とてもよく似通っている。両方とも同じほどの大きさと明るさ、特徴をもつ超拡散状銀河（Ultra-diffuse galaxies; UDG）だ。

このタイプの銀河は、われわれの天の川銀河と同じくらいの大きさの割にずいぶん暗く、構成する星の数もわれわれの銀河の100分の1から1,000分の1ほどと少ない。これら超拡散状銀河のすべてがダークマターを含まないのかというと、決してそうではない。2016年に発表された超拡散状銀河「Dragonfly 44」は、99.99パーセントがダークマターであるという真逆の性質をもつことがわかっている。

つまり、従来の銀河形成理論が揺るがされている。これまでの説では、まずダークマターが集積し、そこに通常物質であるガスや塵が引きつけられて星や銀河が形成される。しかしもしかすると、ダークマターを必要としない銀河形成が可能なのかもしれない。もしくは、あとになって相互作用するより大きな銀河にダークマターが剥ぎ取られた可能性も考えられる。

いずれにせよ、これだけは事実だ。ダークマターは銀河から分離することが可能であり、そして通常の物質と重力的に結合せずとも見つけられる可能性がある“物質”なのだ。そしてこれは、修正ニュートン力学では説明がつかない現象なのである。「ダークマターがほとんど、またはまったくないふたつ目の銀河の発見は、最初のDF2の発見と同じぐらい興奮しますね」と、ヴァン＝ドッカムは話す。

しかし、これらの銀河の発見によって頭を抱えたくなった研究者も多いだろう。説明しなくてはならない現象がまた増えたのだ。「これらの銀河がどのように形成されるのか、わたしたちにはうまい説明が思いつきません。この発見を機に、より多くの研究者たちがこの問題に取り組んでくれることを祈っています」

別の視点からもダークマターの存在を肯定

また、別の視点から修正ニュートン力学を否定し、ダークマターの存在を肯定する研究結果もこのほど「Astrophysical Journal」で発表された。

イタリアのトリエステ国際高等研究スクール（SISSA）で天文物理学の博士号課程にあるキアラ・ディパオロ率いる研究チームは、ダークマターの存在の有無を確かめるために、典型的な渦巻銀河における通常物質のふるまいから計算された力学的関係を、低表面輝度銀河や矮小渦巻銀河のものと比較した。ポイントはダークマターの存在をあえて仮定せず、観測可能な物質のみをもとにして、回転曲線と重力加速度の経験的関係を得たことだ。

ディパオロは、米国ケース・ウェスタン・リザーブ大学の共同研究で得られたデータを使用するにあたり、次のように説明している。「典型的な渦巻銀河153個の回転曲線を分析し、星の総重力加速度と、通常の物質の存在下で観測される成分の、古典的ニュートン力学的関連を得ることができました。そしてこの経験的関係は、分析されたすべての渦巻銀河における、どの半径においても有効だと思われました。重力加速度の説明をするにあたって、ダークマターを取り入れずに、修正ニュートン力学のような修正重力理論を用いるモチヴェイションになったのです」

その正体がわかる日も近い？

ところが研究チームがその後、72の低表面輝度銀河と36の矮小渦巻銀河でも同様に、回転曲線と重力加速度の実測的な関連を試みたところ、まったく違う結果を見ることになった。

「これらの結果は、以前に観測されたものとは異なるものでした」と、論文の共著者でありSISSAの天文物理学者であるパオロ・サルッチ博士は言う。「これは前述の経験的関係が不確実であることを示唆し、銀河内にあるダークマターの存在に対する疑念を払拭するものです」

つまり、渦巻銀河で得られた実測的な関連は、低表面輝度銀河や矮小渦巻銀河には当てはまらなかったということだ。異なる種類の銀河における“欠損質量”のふるまいは、修正ニュートン力学のような代替理論を用いて普遍的に説明するのは不可能なのだ。この研究で得られた知見は、ダークマターの性質を理解するうえで重要な情報となるだろう。

巨大な質量を持つ不可視の物質が実在する可能性が高まった。続々と発見されゆくパズルの新たなピースは、暗黒物質にわずかな光を照らし、その特徴を浮かび上がらせる。その正体がわかる日も、意外と近いのかもしれない。