宇宙における暗黒物質：

存在すると考えられる理由と構造形成における役割
正木彰伍
鈴鹿工業高等専門学校

機械工学科

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アウトライン• お星さまから銀河まで• 暗黒物質• 存在すると考えられるようになった理由• 未知の物質？
• 最近の研究紹介3最も身近な宇宙：夜空

https://onsenbu.net/31040

4最も身近な恒星：太陽• 地球に比べて圧倒的に巨大

太陽

地球

質量

6 x 1024 kg

半径

6 x 106 m

5最も身近な恒星：太陽• 地球に比べて圧倒的に巨大

太陽
質量
半径

地球
6 x 1024 kg

7 x 108 m

6 x 106 m

平均密度はだいたい同じ。わかりますか？
6最も身近な恒星：太陽• 地球に比べて圧倒的に巨大

太陽

地球

質量

2 x 1030 kg 6 x 1024 kg

半径

7 x 108 m

6 x 106 m

平均密度はだいたい同じ。わかりますか？
7最も身近な恒星：太陽• 地球に比べて圧倒的に巨大

https://grapee.jp/52032

8

天の川

https://www.okuminavi.jp/star/column/detail/83/ 9

天の川＝我々が住む銀河• 恒星が1011=1000億個集まった天体
https://www.miz.nao.ac.jp/vera/content/pr/pr20120925/c01.html

10天の川＝我々が住む銀河• 恒星が1011=1000億個集まった天体
https://www.miz.nao.ac.jp/vera/content/pr/pr20120925/c01.html

巨大なブラックホールがある（太陽400万個）↓

2020年ノーベル物理学賞
11銀河＝宇宙の基本的構成要素• すばる望遠鏡が観測した銀河宇宙

この宇宙は銀河で満ちている
https://subarutelescope.org/jp/12

暗黒物質の証拠1：銀河の回転
M33

https://apod.nasa.gov/

13

暗黒物質の証拠1：銀河の回転
M33

https://apod.nasa.gov/

14

星は銀河の周囲を公転• 星が公転する速度v=

GM( < r)r

• 離れるほど遅くなるはず

15

しかし…

Corbelli & Salucci ‘00
16

しかし…

見た目より重い

Corbelli & Salucci ‘00
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暗黒物質の存在証拠2：銀河団中の銀河の運動• 銀河団：銀河が100~1000個の天体
Abel 1689

hubblesite.org

18

暗黒物質の存在証拠2：銀河団中の銀河の運動• 銀河団：銀河が100~1000個の天体
Abel 1689

hubblesite.org

19暗黒物質の存在証拠2：銀河団中の銀河の運動• 銀河団：銀河が100~1000個の天体
こんなに運動している銀河

Abel 1689

を束縛するには軽すぎる→暗い物質があるのだろう

hubblesite.org

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F. Zwicky (1933)

21

F. Zwicky (1933)

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F. Zwicky (1933)…

かみのけ座銀河団

大きな速度分散を説明するためには、大量の暗い物質が必要
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暗黒物質の存在証拠3：銀河団中の質量分布• 重力レンズ現象で総質量を測る

Abel 1689

背景銀河
“レンズ”

観測者
hubblesite.org

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暗黒物質の存在証拠3：銀河団中の質量分布

Okabe & Smith ‘16ここまで3つの観測が示すこと• 光らない重力源が大量に存在する• それは何？

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未知の物質である証拠1：宇宙マイクロ波背景放射（CMB）• Planck衛星による全天温度マップ
約3K=-270℃

https://www.esa.int/27

未知の物質である証拠1：宇宙マイクロ波背景放射（CMB）• Planck衛星による全天温度マップ
約3K=-270℃

平均から10-5程度しかずれない
この非一様性には様々な情報が含まれる

https://www.esa.int/28

宇宙の構成要素• 謎の物質とエネルギーが大量に必要

暗黒物質
重力相互作用のみする物質
普通の物質（元素）暗黒エネルギー
宇宙膨張を加速させる
https://www.esa.int/

謎のエネルギー29

未知の物質である証拠2：弾丸銀河団• 2つの銀河団が衝突した現場（Clowe+'06）

重力レンズによる質量分布

X線強度＝ガス分布

重力相互作用しかしない未知の物質が示唆
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ここまで5つの観測が示すこと• 光らない重力源が大量に存在する• 未知の素粒子ではないか→Dark Matter（暗い物質というより謎の物質）

31

正体解明に向けたアプローチ• 理論の構築• 素粒子理論、重力理論（相対論）• 検出実験
• 直接・間接的に暗黒物質粒子をつかまえようとしている• 宇宙の構造形成における役割• 総量は元素の5,6倍→構造形成において暗黒物質は重要な役割を果たしているはず32

宇宙空間に分布する銀河
点＝銀河約

30

億

光年
https://sdss.org/

33

宇宙空間に分布する銀河

https://www.h-its.org/2014/10/28/millennium-galaxy-catalogues/34

宇宙論的N体シミュレーション

大昔の物質分布を反映
物質分布に変換

大昔の物質分布35

宇宙論的N体シミュレーション

大昔の物質分布を反映
物質分布に変換

大昔の物質分布36

宇宙論的N体シミュレーション

大昔の物質分布を反映
物質分布に変換

大昔の物質分布37

宇宙論的N体シミュレーション
現在の物質分布

空間を膨張

質点間の重力相互作用を計算
https://www.ipmu.jp/ja/node/1212

大昔の物質分布38

宇宙論的N体シミュレーション
現在の物質分布

擬似銀河
空間を膨張

質点間の重力相互作用を計算
https://www.ipmu.jp/ja/node/1212

大昔の物質分布39

実宇宙を再現できるのか？
仮想的な宇宙https://www.ipmu.jp/ja/node/1212

実際の宇宙

40

41

実際の宇宙シミュレーション
42

しかし完璧ではなさそう• シミュレーションは「冷たい暗黒物質」（Cold DM）モデル• 宇宙初期での速度分散が光速に比べてほぼ０• 小スケールの構造がうまく説明できない？
Oh+ʼ1143

混沌としてきた暗黒物質探し• Weakly Interactive Massive Particle（WIMP、例：超対称性粒子ニュートラリーノ）が有力候補• しかし一向に見つからない…
• 他の候補も真面目に調べないといけないのでは？
• Warm DM, Strongly Interactive DM, Fuzzy DM,

Primordial Black Hole…
44https://member.ipmu.jp/DarkMatter/overview.html

45https://member.ipmu.jp/DarkMatter/overview.html「学術変革ダークマター」で検索

年度末などにシンポジウム

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私的な興味• CDM以外のモデルでの構造形成はどうなる？
• CDMモデルの計算でも精緻化が必要• 銀河形成• これまで無視されてきた効果• これらはCDM以外にも有益な知見
47私の最近の研究：超サーベイ密度揺らぎ

観測領域≦10億光年

48https://www.cosmosim.org/cms/images-and-movies/

私の最近の研究：超サーベイ密度揺らぎ

観測領域

ρ = ρ̄
≦10億光年

49https://www.cosmosim.org/cms/images-and-movies/

私の最近の研究：超サーベイ密度揺らぎ

観測領域

ρ < ρ̄

ρ = ρ̄

ρ > ρ̄

観測領域より長い波長の密度揺らぎ

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https://www.cosmosim.org/cms/images-and-movies/

私の最近の研究：超サーベイ密度揺らぎ

観測領域

ρ < ρ̄

ρ = ρ̄

ρ > ρ̄

観測領域より長い波長の密度揺らぎ

51

https://www.cosmosim.org/cms/images-and-movies/

私の最近の研究：超サーベイ密度揺らぎ

観測領域

ρ < ρ̄
軽いρ = ρ̄

ρ > ρ̄
重い

局所的に膨張が非等方になる

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https://www.cosmosim.org/cms/images-and-movies/

超サーベイ密度揺らぎを考慮したシミュレーション
等
方膨
張
非等
方膨
張
• より現実的なシミュレーションで、構造形成から暗黒成分の性質解明に貢献

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まとめ
• 暗黒物質は…
• 見えない重力源として「発見」• 未知の物質が有力候補• 正体解明には様々なアプローチ• これから盛り上がってきそう！
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