STS-134ミッションで、国際宇宙ステーションに取り付けられた宇宙線観測装置「AMS」(2011年7月撮影)。(写真:)


「ダークマター」、またの名を「暗黒物質」という、この何だか怪しい響きのするモノは、宇宙物理の長年の謎でした。

 この正体不明の物質は、宇宙空間を漂っているはずなのに、可視光も電波も出さず、望遠鏡や観測装置を向けても捉えることができません。そのため、「見えない物質」という意味で、「ダークマター」とか「暗黒物質」と呼ばれます。SFにそのまま使えそうな素晴らしいネーミングです。

 2016年12月8日、国際宇宙ステーションに搭載されている宇宙線観測装置「AMS」のチームが記者発表を行ないました。その観測データには、ダークマターの形跡が見られるというのです。

 これまでどんな観測装置もすり抜けてきたダークマターが、ついに捉えられたのでしょうか。長年の謎、ダークマターの正体が明かされる時が来たのでしょうか。解説しましょう。

宇宙線検出装置「AMS」

 AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)は、2011年5月16日(標準時)、スペースシャトル・エンデバー号で打ち上げられ、国際宇宙ステーションに取りつけられた、宇宙線検出装置です。

STS-134ミッションにおける、スペースシャトル・エンデバー号の打ち上げ(2011年5月撮影)。(写真:)


 宇宙線とは、宇宙空間を光速に近い速度で飛んでいる粒子です。粒子の種類は陽子、電子、原子核などさまざまです。人類が実験室で見たことのない未知の素粒子も飛び回っていると考えられます。

 なにしろ天体現象は圧倒的に巨大で強力なので、人類の貧弱な実験装置では作れない高エネルギー粒子も作ることができるのです。宇宙空間に粒子の測定装置を設置すれば、そういう粒子も手に入るだろうと予想されます。事実、陽電子という素粒子は宇宙線の観測で発見された歴史があります。

 しかし実験装置を宇宙に設置するには、電力制限、重量制限、紫外線が照りつけ酸素原子が襲う過酷な環境、メンテナンスなしの遠隔運用といった難しい課題を解決しなければなりません。

 AMS(をはじめ全ての軌道ミッション)はこうしたハードルを飛び越え、成果を上げてきました。2016年12月8日には、打ち上げ5周年を記念して、5年間のレビューが記者発表されました。ここではその成果のうち、ダークマター候補粒子について解説します。

計算が合わない!

「銀河」は、恒星やガス雲などが寄り集まってできている巨大な天体です。(私たちも「天の川銀河」という銀河の中に住んでいます。)

 天文学者は宇宙に浮かぶ無数の銀河の質量を測定しました。(なぜそんなものを測定するのかというと、そこに銀河があるから、としか答えようがありません。そんなものを測定する人を天文学者と呼ぶのです。)そしてその結果に首をひねりました。計算が合わないのです。

 銀河の質量を測る方法の一つは、そこに集まっている恒星やガス雲の質量を足すというものです。恒星の平均質量を別の方法で推定しておいて、銀河に含まれる恒星の数にかけると、恒星の総質量が求められます。この要領で、恒星やガス雲やその他の成分を次々に求め、全部足し合わせて銀河の質量を求めます。

 もう一つの方法は、その銀河の重力を測るというものです。銀河の重力は、その銀河に含まれる恒星やガス雲、それに望遠鏡では見えない物体なにもかも全部が合わさって作っています。そのため、重力を測定することによって、銀河のなにもかも全部を合わせた質量を測ることができるのです。

 そしてこの二つの方法の結果が食い違うことは、天文学者を悩ます謎でした。恒星やガス雲やその他観測される全ての物体を足し合わせた質量よりも、銀河の重力は大きいのです。どうも銀河には、望遠鏡では見えない物質が大量に含まれているようなのです。その量は、見える物質の5倍もあります。

 このことは、私たちの身近にあって、見たり聞いたり触れたりできる物質が、宇宙の中では少数派だということを意味します。実は、宇宙には私たちの知らない種類の「物質」の方が多くあって、銀河や「銀河団(銀河の集まり)」といった巨大な天体の質量は、ほとんどがその未知の物質で占められているのです。

 この未知の物質は「ダークマター」と名づけられ、宇宙の謎として、研究者を悩ましてきました。

ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた巨大銀河団「Abell 1689」。ダークマターによると思われる重力により、光がゆがんで届く。(画像:)


超対称性粒子

 ダークマターの正体は一体なんでしょうか。「ニュートリノ」のような素粒子でしょうか。それともブラックホールのような光を出さない天体でしょうか。研究者はさまざまな仮説を提案してきました。

 そういう仮説の一つが「超対称性粒子」という、今まで人類の測定装置に引っ掛かったことのない素粒子です。

「素粒子」とは、粒子のうち、それ以上細かく分解することができないものを指します。例えばマイナスの電荷を持つ「電子」という粒子は素粒子です。ニュートリノも素粒子です。人類の知っている素粒子は、プラスの電荷を持つこと以外は電子とそっくりな「陽電子」、6種類の「クォーク」、「光子」、「ヒッグス粒子」など、20種類ほどあります。

「素粒子理論」はこういう素粒子の振る舞いを説明する物理学理論です。これまで新しい素粒子が発見されると、それを取り入れて改訂されてきました。今後どういうタイプの素粒子が発見されるか次第で、拡張の可能性も何タイプか考えられます。

 そういう拡張版素粒子理論の一つが「超対称性理論」です。この理論は超対称性粒子という素粒子が数種類見つかることをを予想します。その一つがダークマターをも説明できるのではないか、というのがこの理論の支持者の希望です。

ダークマターの証拠?

 そしてAMSチームの発表によれば、ダークマターの正体が超対称性粒子の一種だとすると、得られたデータが説明できます。

AMSによって捉えられた陽電子のデータ。(出典:)


 これはAMSによって捉えられた陽電子のデータ(赤い十字)です。横軸は陽電子のエネルギーで、検出器に飛び込んできた速度が大きいほどエネルギーも高くなります。縦軸は、そのエネルギーを持つ陽電子の数に相当します。ただしデータを見やすくするため、エネルギーの3乗がかけてあります。

 この陽電子の多くは、別の種類の宇宙線がそのへんの物質にぶつかって生じたもので、ダークマターとは関係ありません。問題はグラフの右半分にあるピーク(山型)です。

 もしも超対称性粒子の質量が1TeV(1テラ電子ボルト)で、もしもそれが宇宙空間を飛び回っていてたならば、いくつかは衝突を起こして最終的に陽電子を作り、それがこのようなピークとして観測されるだろうと予想されるのです。「もしも」が連続しましたが、これは人類が初めて捉えたダークマターのしっぽかもしれません。

 このAMSの結果はしばらく前から発表されていましたが、5年の間に徐々にデータが蓄積され、(右端のデータ点などはまだ誤差が大きいように見えますが)このようなはっきりしたグラフになりました。

 ただし、AMSチームの発表にもあるように、近傍中性子星など別の天体現象でもこのデータが説明できる可能性があります。

今後の展開

 AMSが5年間かけて貯めた陽電子のデータですが、その発生源の正体を決定するには、まだ統計が足りません。高エネルギーの陽電子がもっとAMSに飛び込んでくれれば、この超対称性粒子の質量などを測定できて、理論に制限をつけることができるでしょう。

 あるいは、陽電子の起源が超対称性粒子でなく、近傍中性子星だと判明するかもしれませんが、だとしてもやはりそれは一大成果です。中性子星の周囲では激烈な電磁気現象が起き、電子や陽電子が作られては加速されていると考えられています。その電子や陽電子が直接観測されるのは初めてのことです。

 それにしても、AMSのデータが本当に超対称性理論の証拠なら、理論の予測により、素粒子の種類は一挙にほぼ倍に増えることになります。しかも、通常の物質を圧倒する超対称性粒子がダークマターとして宇宙に存在しているのです。実は銀河や銀河団はほとんどこの粒子でできているのです。

 そして最近、ダークマターのさらに4倍の未知のエネルギーが宇宙には満ちていることが分かってきました。その正体はダークマターよりさらに謎めいています。「ダークエネルギー」としかもう呼びようのないこの存在は、ダークマターと合わせると宇宙の約95%を占めます。通常の物質はほんの5%を占めるだけです。

 こうしてみると、宇宙について人類の知っていることは、ほんのわずかでしかありません。天文学者の測定対象が尽きて失職するおそれは当分なさそうです。

国際宇宙ステーションには他にも有力なミッションが

 最後に、国際宇宙ステーションに搭載されている、日本主体の天文・宇宙科学研究ミッションも応援しておきます。

 全天X線監視装置「MAXI(マキシ)」は、2009年の打ち上げ以来、X線天体を監視し続けている息の長いミッションです。(正直言って、これほど長く活躍し続けるとは予想しませんでした。脱帽です。)これまで多数のブラックホール天体を発見するなど、数々の成果を上げ、国際宇宙ステーションの科学ミッションのうちでもトップクラスの成績を出しています。

 カロリメータ型宇宙電子線望遠鏡「CALET(キャレット)」は、飛来する電子などの宇宙線の方向とエネルギーを測定し、宇宙線の発生源となる天体現象を探ります。近傍中性子星やダークマターの解明が期待されます。2015年に打ち上げられ、徐々に成果を公開しつつあります。(ちなみに、CALETのエンブレムは筆者がデザインしたものです。)

筆者:小谷 太郎