宇宙で最も謎に満ちた物質、ダークマターを研究する

おそらく、現在の天文学における最大の疑問は、単純に聞こえるかもしれない、「宇宙は何でできているのか?」というものでしょう。 私たちは陽子、中性子、電子について知っており、これらの粒子が結合して星、惑星、彗星、ブラック ホールなどの私たちが観察する宇宙を作り出していることを知っています。

しかし、これらはすべて、存在するもののほんの一部にすぎません。 天文学者がバリオン物質と呼ぶ普通の物質は、宇宙全体から見ると少数派です。 実際、宇宙は暗黒物質と暗黒エネルギーによって支配されており、この 2 つの神秘的なものは私たちが直接検出したことはありません。

この最も奇妙なパズルを調査するために、欧州宇宙機関 (ESA) はユークリッド空間を構築しています。 望遠鏡、暗黒物質と暗黒エネルギーの両方を調査する最先端のプロジェクトが開始される 2022年に。

目に見えないものを検索するツールを構築する方法について詳しく知るために、Euclid のプロジェクト サイエンティストである René Laureijs に話を聞きました。

効果だけを見ると

暗黒物質と暗黒エネルギーは両方とも理論上の構成要素であり、どちらも直接検出されたことはありませんが、それらが存在すると信じる十分な理由があります。 その代わりに、私たちはそれらが宇宙に及ぼす影響を見ているので、それらがそこにあるに違いないことを知っています。

「暗黒物質は、その影響だけが見えるものです」とローレイス氏は説明した。 「つまり、何かが動いているのが見えたり、何かが互いに引き付け合っているのが見えますが、何がそれを引き起こしているのかはわかりません。 天文学においても、物体が引き付けられたり、物体が動いたりすることが見られますが、何が起こっているかを見ると、通常の物質の存在によってこれらの動きを説明することはできません。」

この魅力は、銀河ほどの大きさの天体を観察するような、非常に大きなスケールでのみ顕著になります。 当初、天文学者たちは、重力の説明に何か問題があるのではないか、それが天文学的なスケールで重力が異なって見えるのではないかと考えました。 しかし、粒子自体を検出することは継続的な課題ではあるものの、現在では、粒子がこれらの影響を引き起こしているとほぼ確信しているようです。 「私たちはそれを見たことがありませんが、物質のように振る舞うが目には見えない何かの間接的な証拠を見ています。 それが私たちが暗黒物質と呼んでいるものです」とローレイス氏は語った。

そして、そこには暗黒エネルギーが存在します。 これは、宇宙に関する予期せぬ観測を説明するために使用される構成要素であるという点で、暗黒物質に似ています。 しかし、それは粒子ではなくエネルギーの一種である可能性があると天文学者が考えているという点で大きく異なります。 宇宙の膨張を説明するのに使われます。 宇宙が膨張していることはわかっていますが、ハッブル宇宙望遠鏡などの新しいツールによる 1990 年代の観測では、膨張速度が加速していることが示され、天文学者に衝撃を与えました。

「これは非常に微妙な影響ですが、遠くの銀河までの距離を正確に測定することで、人々は 宇宙は膨張しているだけではなく、加速的に膨張していることを20年前に発見した。」 ラウレイス と説明した。 「これは、銀河を押し出す余分なエネルギーがあることを意味しており、この加速は宇宙年齢の半ば、約60億年前に始まったことが判明しました。 なぜそうなったのか、本当に謎です。 したがって、重力に逆らって作用する余分な力があり、すべての銀河を加速的に外側に押し出しており、それを私たちはダークエネルギーと呼んでいます。」

暗黒物質と暗黒エネルギーについて本当に注目すべきことは、それらがどれほど蔓延しているかということです。 宇宙の総エネルギー成分を考えると、 現在の推定値 宇宙の約68%が暗黒エネルギーであり、27%が暗黒物質であることを示しています。 私たちの周りにある通常の物質、すべての星、すべての惑星、すべてのガス分子を合計しても、存在するすべての物質のわずか 5% にすぎません。

つまり、宇宙の95％は私たちがほとんど理解していないということになります。 「これは物理学と天文学において現時点で我々が抱えている最大の謎だ」とローレイス氏は語った。 「天文学者として、この時点でこの問題に取り組むことができて本当に素晴らしいです。」

目に見えないものを狩る方法

暗黒エネルギーを探索する従来の方法は、超新星を観測することで宇宙の膨張を測定することでした。 超新星が遠くの銀河で爆発した場合、超新星が発するエネルギーを追跡して、その距離を推定することができますが、 このアプローチの制限. したがって、ここ数十年で、宇宙の膨張を測定するための 2 つの新しい方法が考案され、ユークリッドは両方を利用することになります。

最初の方法は、宇宙全体の銀河の分布を調べることです。 天文学者は銀河までの距離を観察し、その赤方偏移（その銀河からの光がどの程度届くか）を観察します。 はスペクトルの赤い端にシフトします)、そしてこれから銀河がどれくらいの速度で遠ざかっているかを計算することができます。 私たち。

2 番目の方法は、 暗黒物質の分布. 通常の物質の分布は暗黒物質の分布に従い、そこには通常の物質よりもはるかに多くの暗黒物質が存在することがわかっています。 暗黒物質の重力効果は、暗黒物質の質量が周囲の光を曲げる重力レンズと呼ばれる技術を通じて見ることができます。

これが、ユークリッドが暗黒物質と暗黒エネルギーの両方を研究している理由です。一方について学ぶことで、もう一方についても学ぶことができるからです。

信じられないレベルの精度

ダークエネルギーとダークマターの研究に必要な種類のデータを収集するためのツールは、概念的には比較的単純です。 Euclid には、赤外線カメラ/分光計と巨大な光学カメラという 2 つの主要な機器があります。

この赤外線機器には、遠方の銀河の赤方偏移を測定できるさまざまなフィルターと格子プリズムが装備されており、銀河が私たちからどれだけ離れているかがわかります。 光学カメラは 36 個のセンサーのモザイクであり、合計解像度が 600 メガピクセルを超え、デジタル カメラのより高精度なバージョンのように、非常に鮮明な画像が得られます。 そして、1.2メートルのミラーを備えた望遠鏡自体もあります。

ハードウェアを構築する際の課題は、信じられないほど高いレベルの精度が要求されることです。 科学者が探している暗黒物質と暗黒エネルギーの存在による歪みは非常に小さい 測定器は非常に高感度であり、測定値のわずかな変動さえも拾うことができる必要があるということです。 しかし、それは、望遠鏡自体の環境に何らかの変化があれば、データが大きく歪む可能性があることを意味します。 衛星内の電子機器の電源を入れるなどの小さなことでも、測定値で顕著になります。

「この望遠鏡は非常に安定しており、非常に鮮明な画像が得られるように作られています」とローレイス氏は語った。 「そして、非常に広い視野を持っています。 安定、シャープ、広い視野など、すべてを組み合わせると、不可能なデザインが完成します。 だから、とても難しいんです。」

チームがこの設計問題に取り組む 1 つの方法は、望遠鏡を宇宙に置くことです。 安定した環境で撮影できる最も鮮明な画像よりも 4 ～ 5 倍鮮明な画像を撮影できます。 地球。 しかし、太陽に対して衛星を調整すると衛星が受け取る熱の量が変化するため、太陽光の問題はまだ残っています。 数ミリワットのエネルギー変化であっても、機器は十分に検出できます。

望遠鏡の設計者が取り組まなければならない最大の問題は拡張です。 材料が熱くなると膨張するため、わずかな温度変動でも望遠鏡の一部が膨張し、データに歪みが生じる可能性があります。

その結果、Euclid コンポーネントのほとんどは炭化ケイ素と呼ばれる優れた素材で構築されています。 このセラミックは膨張係数が極めて低いため、高温になってもほとんど膨張しません。 また、楽器全体に使用されるため、拡大する場合でも均等に拡大します。 望遠鏡のメインミラーと同様に、センサーのフレームも炭化ケイ素で作られています。 ミラーは数ナノメートルの誤差まで高度に研磨されており、このプロセスにはほぼ1年かかりました。

このような配慮により、衛星は非常に安定しており、鮮明で正確な画像を撮影できるようになります。

人類に何かを提供する

暗黒物質と暗黒エネルギーの研究は主に理論物理学にとって重要ですが、この探索は実用的な意味も持ちます。 まず、Euclid のようなプロジェクト用に設計されたハードウェアと開発された測定技術は、さまざまな分野で使用できる可能性があります。 第二に、Euclid が収集する豊富なデータがあります。

「私たちのデータでは、暗黒エネルギーと暗黒物質を測定するだけでなく、空に見えるすべてのものをそれらの波長で写真に撮ります」とローレイス氏は語った。 「つまり、そこにはさらに多くの天文学が含まれています。 そして、それはエキサイティングな部分でもあります。なぜなら、私たちは人類や天文学者に非常に新しいものを提供するからです。 今から 8 年後、ESA のウェブサイトにアクセスして、空のどの位置に行っても、1,000 万年前の深さまでの様子を非常に高い解像度で見ることができます。」

しかし、暗黒物質と暗黒エネルギーの探求は主に、私たちの宇宙が最も基本的なものでどのように機能しているかを理解することにあります。 レベルを上げ、現時点ではまったく不可解な質問に答えます。「私たちの周りに見ているものは、私たちの宇宙に存在するもののわずか 5% です。 残りの95%は暗黒物質と暗黒エネルギーですが、これについてはほとんど説明できません」とローレイス氏は語った。 「これが私にとって、Euclidを行う根本的な理由です。」

暗黒物質の研究に取り組む科学者、技術者、天文学者を駆り立てるのは、宇宙が何で構成されているのかというこの奇妙で説明のつかない疑問です。 なぜなら、私たちの周りに見えるものは、未知の世界に存在するものの表面をなぞっただけだからです。