宇宙の「隠れていた物質」が、ついに発見される
何十年もの間、宇宙の原子物質のなかには、どこに隠れているのか突き止められないものがあった。これらの物質について、最近発表された論文が明らかにしている。
天文学者たちは、ついに宇宙のまだ見つかっていなかった物質を見つけた。1990年代半ばに宇宙のすべての「通常」物質、つまり恒星、惑星、ガスなど原子で出来上がっているものすべてを見つけ出そうとしたが、そのとき以来まだ見つかっていなかった物質である。これは「暗黒物質（ダークマター）」のことではない。暗黒物質はまったく別の謎だ。
ビッグバンの間に物質がどのようにつくられたかという理論的な研究に基づいて、どれだけの物質があるはずかについては、かなりわかっていた。ビッグバンの名残りの光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の研究によって、当初の推定が確認されることになる。
研究者たちは、目に見える物質をすべて合算した。恒星やガス雲など、いわゆるバリオン（重粒子）すべてだ。それらはそこにあるべき物質の約10パーセントにしか相当していなかった。通常物質は宇宙のすべての物質の15パーセントにすぎないことを考えれば（残りは暗黒物質である）、見つけることができていたのは宇宙のすべての物質のたった1.5パーセントにすぎない。
見えたものと、見えなかったもの
最近発表された3編の論文によると、天文学者たちは宇宙のすべての通常物質のうち、残っていたものを突き止めた（ただし、暗黒物質にどんなものがあるかについてはまだまだわかっていない）。すべてを見つけるまでにはかなりの時間がかかったが、研究者たちは最初から予想していた場所に正しくそれらを見つけたのである。
それは銀河の間に広がる高温のガスの大きな巻きひげ（高温のガスがなかったとしたら、空っぽだったはずの裂け目だ）、正式には中高温銀河間物質（WHIM）と呼ばれる場所である。銀河の間に実際には見えないガスが大きく広がっているのではないかと考えられるようになったのは、1998年につくられたコンピューターのシミュレーション以来だ。
「わたしたちは宇宙のすべてのガスに何が起きているか知りたかったのです」と、プリンストン大学の宇宙学者ジェレマイア・オストライカーは言う。彼は同僚の岑仁月（ツェン・レンユエ）とともにそれらのシミュレーションのうちのひとつを実行した。
ふたりは重力、光、超新星の爆発など宇宙空間で物質を動かすすべての力に基づいて、宇宙のガスの動きのシミュレーションを実施した。「わたしたちは、それらのガスは検知が可能なフィラメントのなかに蓄積しているはずだという結論に達しました」と、オストライカーは言う。
ただし、いまのところは検知できてはいない。「バリオンの多くは銀河のなかにあるのではなく、高温の拡散した状態で存在していることが以前からの宇宙学シミュレーションではっきりわかっていました」と、リヴァプール・ジョン・ムーア大学の天体物理学者イアン・マッカーシーは言う。
天文学者たちは、これらの高温のバリオンは、銀河のすき間に広がる広大なすき間にまたがる目に見えない暗黒物質からできている宇宙の上部構造に一致すると予期していた。暗黒物質はその重量でガスを引き寄せ、ガスを数百万℃まで熱する。残念なことに、高温で拡散しているガスは見つけるのが非常に難しい。
隠れたフィラメントの位置を突き止めるため、別々のふたつの研究チームが、ビッグバンの残光である宇宙マイクロ波背景放射がどれだけねじ曲げられているかを正確に測ろうとした。
初期の銀河からの光が宇宙を流れていくにつれ、通り抜ける領域の影響を受けることがある。特に高熱でイオン化したガス（例えば中高温銀河間物質=WHIM）のなかの電子は、宇宙マイクロ波背景放射の光子と作用して、これらの光子にエネルギーを与える。こうして、宇宙マイクロ波背景放射のスペクトルは歪められると考えられる。
残念ながら、宇宙マイクロ波背景放射の最も優れたマップ（プランク衛星が提供）には、そのような歪みは表れていなかった。ガスがそこになかったのか、あるいはこのような効果はあまりにも微弱なのではっきり表れなかったのか、どちらかだろう。
高温・低密度のガスのフィラメントを可視化
だが、ふたつの研究チームはそれをはっきり見えるようにしようと決意していた。コンピューターによる宇宙のシミュレーションはますます詳細になっているため、巨大な銀河の間には窓枠に張られたクモの巣のようにガスが広がっているに違いないとわかっていたからだ。
プランク衛星（宇宙望遠鏡）では、どのペア銀河でもその間のガスを見ることはできなかった。そこで研究者たちは、微かなシグナルを100万倍に拡大する方法を考え出した。
彼らはまず、適切な銀河ペアを見つけるために、すでに知られている銀河をすべて検討した。銀河ペアの間に比較的厚いクモの巣を張っているのは、ふたつの銀河が十分に巨大で、互いからちょうどいい距離だけ離れている場合だ。
宇宙物理学者たちはプランク衛星のデータを見直して、そのような銀河のペアがどこにあるかを特定し、いわばデジタルなハサミを使って空からその領域を切り取った。彼らは100万を超える切り抜きを手にして（エディンバラ大学の博士課程の学生アンナ・ドゥ・グラーフ率いる研究チームの場合）、一つひとつを回転させ、拡大したり縮小したりして、すべての銀河ペアが同じポジションで見えるようにした。
それから、100万の銀河ペアを次々に重ねていった（仏オルセー天体物理学研究所の谷村秀樹の研究チームは、26万ペアの銀河を組み合わせた）。こうしてついに、一本一本の糸、つまりそれまで目に見えなかった高温・低密度のガスのフィラメントを可視化することに成功したのだ。
異なるアプローチから見えてきたこと
この方法には落とし穴もある。コロラド大学の天文学者マイケル・シュルは、この方法で得られた結果を解釈する際には、温度ならびに高温のガスの空間分布を仮定する必要があると言う。
また、シグナルを重ね合わせていることから、「多数のデータを重ね合わせた結果である『弱いシグナル』のことを常に心配しなくてはなりません」と彼は話している。「世論調査でもときおり見られるように、統計を歪ませる分布の外れ値やバイアスがあると、間違った結果を得ることになります」
このような懸念もあって、宇宙学の学会ではこれまでこの件が決着したとは考えられていなかった。必要とされていたのは、高温のガスを計測する独立した方法だ。この夏、その方法が見つかったのである。
このふたつの研究チームはシグナルを重ね合わせる方法をとっていたが、3番目の研究チームはそれとは異なるアプローチをした。彼らは何十億光年ものかなたに輝く灯台というべきクエーサー（恒星状天体）を観察した。
一見したところ何もなさそうに見える空間をクエーサーの光が通り抜けてくる様子を観察して、その空間にあるガスを検知したのだ。それはちょうど、遠くにある灯台の光線を調べることによって、灯台をとりまく霧を研究するようなものだ。
天文学者がこの方法をとるとき、通常は原子状水素に吸収された光を見つけようとする。水素は宇宙に最も豊富にある元素だからだ。しかし残念なことに、そのやり方は不可能だった。中高温銀河間物質（WHIM）はあまりにも温度が高いので、水素をイオン化してしまい、たったひとつしかない電子をとり去ってしまう。その結果、光を吸収しない自由な陽子と電子のプラズマになってしまうのである。
同じパズルの別々のピース
そこで研究グループは、代わりに別の元素を探すことにした。酸素だ。中高温銀河間物質には、水素と同じ程度の酸素は存在していない。だが、電子を1個しかもたない原子状水素と違い、原子状酸素には8個の電子がある。
中高温銀河間物質の発する熱は原子状酸素の8個の電子のほとんどをとり去ってしまうが、全部ではない。ローマのイタリア国立宇宙物理学研究所のファブリツィオ・ニカストロ率いる研究チームは、2個だけを残して残りの電子を失った酸素に吸収された光を追跡した。こうして彼らは高温の銀河間ガスが存在する2つの場所を発見したのである。
酸素は「それよりもずっと大きい水素とヘリウムのガスの貯まり場を見つける手がかりになります」と、ニカストロの研究チームのメンバーであるシュルは言う。研究チームは、地球とこの特定のクエーサーとの間に見つけたガスの量から、宇宙全体の量を推定した。その結果から、自分たちはまだ見つかっていなかった30パーセントの場所を見つけたと推測することができた。
その数字は、宇宙マイクロ波背景放射の研究の成果ともちょうど一致していた。「これらの研究チームはそれぞれ、同じパズルの別々のピースを見ていたのですが、同じ結果に到達しつつあります。彼らがそれぞれ別の方法を用いたことを考えれば、安心できる結果です」と、テキサス大学の天文学者マイク・ボイランコーチンは言う。
次の一歩は、もっと感度の高い次世代のX線望遠鏡や紫外線望遠鏡を使って、より多くのクエーサーを観察することだとシュルは話している。「わたしたちが観察したクエーサーは、見つけうる限りで最高の最も明るい灯台でした。ほかのクエーサーはもっと光が弱いので、観察には時間がかかるでしょう」と彼は言う。
それでもいまや、覚えておくべきことははっきりしている。「これまで見つかっていなかったバリオンが見つかったという結論に達した」と、シュルらの研究チームは論文に記している。
