暗黒物質とは、宇宙の物質の大部分を占める、光を発しない謎の物質です。 専門家は何十年も前から暗黒物質の重力効果を観測していますが、科学者たちはその正体について依然として不可解なままです。

誰が暗黒物質を発見したのでしょうか？

19世紀後半、天文学者は目に見えない物質、つまり宇宙全体に散らばる薄暗い星やガスや塵について推測しはじめました。 学術誌「Reviews of Modern Physics」の2018年のレビューによると、研究者はその質量を推定し始めてもいた。 ほとんどの人は、この謎の物質が宇宙の総質量のマイナーな構成要素であると考えていました

スイス系アメリカ人の天文学者フリッツ・ツヴィッキーが、遠くの銀河が望遠鏡で見られる可視物質から考えられるよりもはるかに速くお互いの周りを回転していることに気付いたのは、1933年まででした。 その結果、「暗黒物質が発光物質よりもはるかに多く存在する」という驚くべき結果が得られたのです。

しかし、1970年代に天文学者ケント・フォードとベラ・ルービンが、隣のアンドロメダ銀河の外側の領域にある星を詳細に研究するまで、この分野の多くの人々はツヴィッキーの結果に懐疑的でした。 これらの星は銀河の中心部を非常に速く回っており、まるで目に見えない物質が重力で星を引っ張っているような状態でした。

研究者たちは、この目に見えない質量が何から構成されているのか見当もつかず、一部の天文学者は、暗黒物質が小さなブラックホールや、望遠鏡に映らないほど小さな光を放つその他の天体からできていると推測していました。

Why dark matter remain a mystery

望遠鏡による調査では、この膨大な量の物質を説明できるほど小さな天体を見つけることができませんでした。 現代の天文学者の多くは、暗黒物質が、より身近な陽子や中性子とはむしろ異なる性質を持つ素粒子で構成されている可能性があると考えています。

暗黒物質の有力な候補は、弱相互作用質量粒子（WIMP）と呼ばれるものです。 これらの推測される存在は、ほとんどすべての粒子と力を記述している素粒子物理学の標準モデルには見当たりません。 WIMPは、陽子の10倍から100倍の重さがあることを除けば、幽霊のようなニュートリノに近い存在だろう。 (ニュートリノの正確な質量は不明だが、電子よりはるかに軽い）。

ニュートリノと同様に、WIMPは宇宙の4つの基本的な力のうち2つとしか相互作用しないでしょう。 重力と、放射性原子核の崩壊を媒介する原子核の弱い力である。 これらの暗黒物質粒子は電気的に中性であるため、光の基本である電磁気と相互作用せず、したがって目に見えないままである。

物理学者は、巨大な検出器を作り、干渉する宇宙線から守るために地下深くに設置して、WIMPを検出しようと努力してきましたが、これまでのところ、どの実験でもその証拠を発見することはできませんでした。 近年、この失敗により、この分野の一部の人々は、本当の終わりのない荒々しい粒子の追跡に向かっているのではないかと考え始めている。

そこで、一部の科学者は、電子の100万分の1あるいは10億分の1の質量を持つ、アクシオンと呼ばれる新しい暗黒物質候補に目を向けていると、『米国科学アカデミー紀要』は報告しています。 この仮説の粒子は、物理学におけるもう一つの未解決の問題を解決する可能性があり、中性子と相互作用して、中性子が磁場を感じるが電場を感じない理由を説明できるため、研究者にとって特に魅力的である。

2020年6月、イタリアのグランサッソ国立研究所に拠点を置くXENON1T実験（もともとWIMPの捕獲を試みるために作られた検出器）のメンバーは、小さいが予想外の信号を発見し、アクシオンの存在によって説明できると発表しました。 この結果は科学界に衝撃を与えたが、他の実験で確認されるには至っていない。

ダークマター（暗黒物質）は実在するのか？

つまり、暗黒物質とは何なのかについて、研究者はまだ頭を悩ませているのです。 一部の理論家は、目に見える宇宙で見られる素粒子の複雑さに似た、複数の粒子や暗黒物質にのみ作用する暗黒力さえある、宇宙の暗黒部門全体が存在するのではないかと考えています

一方、少数の科学者は、暗黒物質が幻であると考えています。 この考え方は、大きなスケールでは重力が予想と異なって作用し、それが星や銀河の回転の観測を説明すると推測するものである。 しかし、ほとんどの専門家は、既知の物理学からこのような根本的な出発をする必要性に納得しておらず、また、現実の大部分に対する我々の理解にも修正を加える必要があるだろう。

ダークマターは、誰の知る限りでも、宇宙の膨張を加速させるもうひとつの謎の現象であるダークエネルギーとは関連がありません。 この2つは単に「暗黒」という言葉を共有しているだけで、科学者はしばしば、完全に理解していないものに対するプレースホルダーとして使用するのである。