間接的な証拠をもとに存在すると考えられている、謎に満ちた「暗黒物質（ダークマター）」。
その暗黒物質から放射された電磁波を初めて捉えたかもしれないとする研究成果を、東京大学大学院の戸谷友則教授が発表しました。
あるはずなのに見えない「暗黒物質」
私たち人間の身体から、地球や太陽といった天体までを形作る「通常の物質（バリオン）」は、この宇宙を構成するもの全体のうちほんの5％程度でしかないと考えられています。残る95％のうち、約27％は暗黒物質、約68％は宇宙の加速膨張をもたらしているとされる「暗黒エネルギー（ダークエネルギー）」が占めているとみられています。
通常の物質の5倍もあるはずの暗黒物質は、これまで電磁波では直接見ることができず、天体の観測を通じて間接的にその存在が予測されてきました。
たとえば、銀河の回転速度。通常の物質の質量だけで予想される回転速度と比べて、実際の回転速度はかなり速いのに、銀河を構成する星々は放り出されずにまとまっています。このことから、質量はあるけれども電磁波では見えない「何か」の重力が働いているのではないか、と推測できます。
同様のことは、何百もの銀河の集団である銀河団にも言えます。銀河団に属する銀河の移動速度をもとに計算された銀河団全体の質量は、通常の物質だけで予測された質量と比べてはるかに大きくなってしまいます。このことからも、見えない何か、つまり暗黒物質の存在が示唆されます。
ほかにも、重力レンズ効果があります。重力レンズとは、手前にある天体（レンズ天体）の質量によって時空間がゆがむことで、その向こう側にある天体（光源）から発せられた光の進行方向が変化し、地球からは像がゆがんだり拡大して見えたり、時には分裂して見えたりする現象です。
遠くの銀河の像をリング状にゆがめるようなものは「強い」重力レンズ効果と呼ばれますが、背景の銀河の像をわずかに引き伸ばしたりずらしたりする「弱い」重力レンズ効果をいくつも観測することで、たとえば銀河団に存在する暗黒物質の分布を知ることが可能です。
このように、暗黒物質の存在を示す証拠はいくつも得られているものの、その正体は今もよくわかっていません。ブラックホールのように電磁波では直接観測できない高密度なコンパクト天体をはじめ、さまざまな候補が提案されてきましたが、現在有力視されているのは未発見の素粒子です。
そのなかでも、WIMP（Weakly Interacting Massive Particle＝弱く相互作用する重粒子）と呼ばれる候補は、重力相互作用の他には弱い相互作用しか働かないと考えられている素粒子です。
WIMPも電磁波では観測できませんが、WIMPどうしがまれに衝突して対消滅する時に、高エネルギーのガンマ線を放射すると考えられています。暗黒物質が高密度で存在するとみられる銀河中心のような場所を観測することで、このガンマ線を捉えることができるかもしれません。
暗黒物質粒子の対消滅時に放射されたガンマ線を検出？
今回、戸谷さんは、NASA＝アメリカ航空宇宙局のガンマ線観測衛星「Fermi（フェルミ）」が取得した最新の15年分の観測データを使用して、天の川銀河の中心方向から60度の範囲で観測されたガンマ線の解析を行いました。なお、天体に由来するガンマ線をなるべく避けるために、天体が集中している銀河面に沿った領域は除外されています。
観測データから天体起源のガンマ線を取り除いたところ、エネルギーが20GeV（ギガ電子ボルト）付近のガンマ線で、銀河中心から球対称に広がるぼんやりとしたハロー状の放射成分が存在することが明らかになりました。
次の画像が、今回の研究で明らかになったガンマ線の強度分布です。天の川銀河の中心方向からハロー状に広がっていることがわかります。
このハロー状の放射は、20GeV付近よりも低いエネルギーや、高いエネルギーの帯域では弱くなることがわかりました。
天体に由来するガンマ線は、様々なエネルギーで比較的均等に放射されます。その一方で、陽子の500倍程度の質量があるWIMPが対消滅した時に放射するガンマ線は、20GeV付近に集中することが予想されるといいます。
次に示すグラフは、戸谷さんの解析で明らかになったハロー状放射のエネルギーのスペクトル（電磁波の波長ごとの強さの分布）を示したものです（○記号とI字型のエラーバーの組み合わせ）。
赤・青・緑の線は、暗黒物質粒子（質量500GeV程度＝陽子の約500倍）が対消滅した時に放射されると予想されるガンマ線のスペクトルを示しています。
ハロー状放射のスペクトルは、暗黒物質粒子の対消滅時にボトムクォーク（b）と反ボトムクォークが生じる場合（赤）や、あるいはウィーク（W）ボソンのペアが生じる場合（青）に放射されるガンマ線のスペクトルと合致することがわかります。
今回の戸谷さんの研究成果はこれから様々な検証を受けることになりますが、もしも結果が事実であれば、長らく不明のままだった暗黒物質の正体がWIMPであること、そして現在の素粒子物理学の標準理論（標準模型）には存在しない新しい素粒子が見つかったことを意味します。
宇宙の成り立ちに大きく関わる暗黒物質、その正体に迫る研究の今後の進展に注目です。
文／ソラノサキ 編集／sorae編集部
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参考文献・出典
- 東京大学 大学院理学系研究科・理学部 - 暗黒物質がついに見えた！？ー天の川銀河のハローから高エネルギーガンマ線放射を発見ー
- Tomonori Totani - 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)
- Tomonori Totani - 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation (arXiv)
