アルマ望遠鏡、暗黒物質の微妙な痕跡を明らかに

先駆的な観測により、銀河レベル以下の暗黒物質の変動が明らかになり、冷たい暗黒物質の理論が確認され、宇宙の形成についての新たな洞察が得られました。

近畿大学（日本、大阪）の井上貝木太郎教授率いる研究チームは、世界で最も強力な電波干渉計であるアタカマ大型ミリ波/サブミリ波アレイを使用して、大質量銀河よりも小さいスケールで宇宙の暗黒物質の分布の変動を検出した。 .配列)。アルマ）、チリ共和国にあります。

3万光年規模の遠方宇宙で暗黒物質の空間変動が検出されたのは今回が初めて。 この結果は、冷たい暗黒物質が存在することを示しています。^[1] これは、大質量銀河よりも小さいスケールであっても好ましいものであり、暗黒物質の真の性質を理解するための重要な一歩となります。 記事はに掲載されます の 天体物理ジャーナル。

図 1. 暗黒物質で検出された変動。 明るいオレンジ色は暗黒物質密度が高い領域を示し、暗いオレンジ色は暗黒物質密度が低い領域を示します。 白と青は、アルマ望遠鏡で観測された重力レンズの影響を受けた天体を表しています。 出典: アルマ望遠鏡 (ESO/国立天文台/NRAO)、KT 井上ら。

要点

• 国際プロジェクトである世界最大級の電波干渉計アルマ望遠鏡による観測。
• 3万光年未満のスケールで宇宙における暗黒物質の変動を初めて検出。
• 暗黒物質の正体を解明するための重要な一歩。

アルマ望遠鏡が暗黒物質の分布の小規模な変動を検出

宇宙の質量の大部分を占める目に見えない物質である暗黒物質は、星や銀河などの構造の形成に重要な役割を果たしたと考えられています。^[2] 暗黒物質は空間に均一に分布しているのではなく、塊となって分布しているため、その重力によって、遠くの光源から来る光（電波を含む）の経路がわずかに変化することがあります。 この効果（重力レンズ）の観察により、暗黒物質が比較的大規模な銀河や銀河団に関連していることが示されていますが、それがより小さなスケールでどのように分布しているのかはまだわかっていません。

研究チームはアルマ望遠鏡を使用して、地球から110億光年離れた天体を観測することにしました。 この天体はレンズのあるクエーサーであり、^[3] MG J0414+0534^[4] （以下「本クエーサー」といいます）。

このクエーサーは、前景の銀河の重力レンズ効果により、四角形の像を持っているように見えます。 しかし、これらの見かけの像の位置と形状は、前景銀河の重力レンズ効果のみから計算されたものとは異なり、大質量銀河よりも小さなスケールでの暗黒物質分布の重力レンズ効果が働いていることを示唆しています。

図2：MG J0414+0534重力レンズシステムの概念図。 画像中央の天体はレンズ状銀河を示しています。 オレンジ色は銀河間空間の暗黒物質を示し、淡い黄色はレンズ状銀河の暗黒物質を示します。 クレジット: 国立天文台、KT 井上

宇宙スケール（数百億光年）よりはるかに小さい3万光年程度のスケールでも、暗黒物質の密度には空間変動があることがわかった。 この結果は、暗黒物質の塊が銀河内部 (図 2 の薄黄色) だけでなく、銀河間空間 (図 2 のオレンジ色) にも存在すると予測する冷たい暗黒物質の理論的予測と一致しています。

今回の研究で見つかった暗黒物質の塊の重力レンズ効果は非常に小さいため、単独で検出するのは非常に困難です。 しかし、前景の銀河が引き起こす重力レンズ効果とアルマ望遠鏡の高解像度のおかげで、その影響を初めて検出することができました。 したがって、この研究は暗黒物質の理論を検証し、その正体を解明するための重要な一歩となります。

この研究は、KT Inoueらによる「レンズクエーサーMG J0414+0534に向けた10 kpcでのレンズパワースペクトルのALMA測定」というタイトルの論文で発表されています。 の中に 天体物理ジャーナル。

ノート

1. 冷たい暗黒物質
   宇宙が膨張するにつれて物質の密度が減少するため、ダークマター粒子（光には見えない物質）は他の粒子と遭遇することがなくなり、通常の物質の運動とは異なる独立した運動をするようになります。 この場合、通常の物質に比べて光速よりもはるかに遅い速度で移動する暗黒物質粒子は、冷たい暗黒物質と呼ばれます。 速度が遅いため、宇宙の大規模構造物を消去する能力はありません。
2. 宇宙の構造の形成
   初期の宇宙では、星や銀河は、暗黒物質の密度変動の重力成長と、暗黒物質の塊に引き付けられた水素とヘリウムの蓄積の結果として形成されたと考えられています。 大質量銀河よりも小さいスケールでの暗黒物質の分布はまだ不明です。
3. クエーサー
   クエーサーは、非常に明るい光を発する銀河の中心にあるコンパクトな領域です。 結合部およびその周囲には電波を発する塵埃が多量に含まれています。
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534は地球から見ておうし座の方向にあります。 この天体の赤方偏移 (光の波長の増加を元の波長で割った値) は z=2.639 です。 宇宙論的パラメーターの不確実性を考慮すると、対応する距離は 110 億光年と想定されます。

参考文献：「レンズクェーサー MG J0414+0534 に向けた 10 kpc でのレンズ力スペクトルの ALMA 測定」、井上海樹太郎、峰崎健夫、松下聡樹、中西耕一郎著、2023 年 9 月 7 日、 天体物理ジャーナル。
土井: 10.3847/1538-4357/aceb5f

本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（課題番号 17H02868、19K03937）、国立天文台アルマ望遠鏡共同科学研究プロジェクト 2018-07A の助成を受けて行われました。アルマ望遠鏡研究基金 NAOJ-ALMA-256、台湾MoST. 103-2112-M-001-032-MY3、106-2112-M-001-011、107-2119-M-001-020、107-2119- M-001-020。