科学者はダークマターに「ズームイン」し、宇宙の見えない骨格を明らかにする

科学者はダークマターに「ズームイン」し、宇宙の見えない骨格を明らかにする
リリース番号： 2020-21　　リリース：2020年9月2日水曜日-午前11時
ダークマターの内部構造にズームイン、コンピューター生成シミュレーション、「コズミックウェブ」とも呼ばれます。
マサチューセッツ州ケンブリッジ-
スーパーコンピューターの力を利用して、国際的な研究者チームが仮想宇宙の暗黒物質の最小の塊を拡大しました。Natureで本日発表されたこの研究は、暗黒物質ハローを空の活動領域として明らかにし、銀河だけでなく、実際の空でこれらのハローを見つけることを可能にする可能性のある放射線放出衝突も見られます。
宇宙の物質のおよそ83％を構成する暗黒物質は、ガスが冷えて暗黒物質の巨大な塊の中心で凝縮するにつれて成長する銀河の形成を含む、宇宙の進化における重要なプレーヤーです。時間が経つにつれて、いくつかの暗黒物質の塊が彼ら自身の巨大な重力のために宇宙の膨張から離れて引っ張られることで形成されたハロー。最大の暗黒物質ハローには巨大な銀河クラスター（何百もの銀河のコレクション）が含まれており、それらの銀河を研究することでそれらの特性を推測できますが、通常、単一の星さえもない最小の暗黒物質ハローは、これまで謎のままでした。
「私たちのシミュレーションから学んだことの中で、重力は宇宙の過度に密な領域で暗黒物質粒子が「凝集」し、暗黒物質ハローと呼ばれるものに落ち着くということです。これらは本質的に、暗黒物質の粒子で満たされた重力の大きな井戸と考えることができます。」と天体物理学センターのポスドク、Sownak Boseは述べた。ハーバードとスミソニアン、そして研究の第一人者の一人。「宇宙のすべての銀河は、暗黒物質の拡張された分布に囲まれていると考えられています。これは、銀河の種類に応じて、10から100倍の間で銀河の発光物質を上回ります。この暗黒物質はすべての銀河をあらゆる方向に取り囲んでいるため、「ハロー」と呼びます。」
シミュレートされた宇宙を使用して、研究者は満月の表面のノミを認識するのに必要な精度でズームインし、最大10の7乗、または10の後に7つのゼロを付けて、非常に詳細な画像を作成できました。既知の最大のものから予想される最小のものまで、何百もの仮想暗黒物質ハロー。
「シミュレーションは、宇宙の暗黒物質の全体的な分布だけでなく、これらの暗黒物質のハローの詳細な内部構造も定量化するのに役立つため、役立ちます」とBoseは述べています。「冷たい暗黒物質モデルで形成できる暗黒物質ハローの全範囲の存在量と内部構造を確立することは興味深いことです。これにより、現実の宇宙で暗黒物質を検出するのがどれほど簡単かを計算できるからです。」
ハローの構造を研究していると、研究者たちは驚きに出会いました。すべての暗黒物質ハローは、大きいか小さいかにかかわらず、中心に密で非常に類似した内部構造を持ち、外側に向かって拡散します。スケールバーがないと、巨大な銀河の暗黒物質ハロー（最大10 ^ 15の太陽質量）と10 ^ -6までの太陽質量未満のハローの違いを区別することはほとんど不可能です。太陽質量。「いくつかの以前の研究は、超小型ハローの密度プロファイルはそれらの巨大な対応物とはかなり異なるであろうことを示唆した」と北京の国立天文台（NAOC）の天文学者で研究の筆頭著者であるJie Wangは述べた。「私たちのシミュレーションは、暗いハローの巨大な質量範囲全体でそれらが似ていることを示しており、それは本当に驚くべきことです。ボーズはさらに、銀河を取り囲まない最小のハローでも、「私たちのシミュレーションにより、いわゆる「宇宙のウェブ」を視覚化することができました。暗黒物質のフィラメントが交差するところに、暗黒物質の小さな、ほぼ球形の塊が見えます。これはハローそのものであり、それらは非常に普遍的な構造なので、100億億倍の質量をもつ銀河団の写真を見ることができます。太陽の100分の1の大きさの地球質量のハローであり、どちらがどれであるかはわかりません。」
この研究からの暗黒物質ハローの画像はシミュレーションの結果ですが、シミュレーション自体は実際の観測データに基づいています。天文学者にとって、それは、適切な技術があれば、研究を実際の夜空に対して再現できることを意味します。「シミュレーションに使用された初期条件は、プランク衛星の宇宙マイクロ波背景放射測定からの実際の観測データに基づいています。これは、宇宙の構成が何であり、どれだけの暗黒物質を入れるかを教えてくれます」とボーズ氏は語った。
研究中に、研究者は実際の夜空で見つけやすい暗黒物質ハローの特徴である粒子衝突をテストしました。現在の理論は、ハローの中心近くで衝突する暗黒物質粒子が高エネルギーのガンマ線の激しいバーストで爆発し、潜在的に暗黒物質ハローをガンマ線や他の望遠鏡で検出できるようにすることを示唆しています。
「放射線がどのように検出されるかは、暗黒物質粒子の正確な特性に依存します。標準的な冷たい暗黒物質の画像の主要候補の1つである、弱く相互作用する大きな粒子（WIMP）の場合、ガンマ線は通常、GeV範囲で生成されます。フェルミのデータには銀河中心のGeVスケールのガンマ線が過剰であるという主張があり、これは暗黒物質が原因であるか、パルサーが原因である可能性があります。「超高エネルギー放射線画像望遠鏡アレイシステム（VERITAS）などの地上ベースの望遠鏡もこの目的に使用できます。そして、この放射はすべての暗黒物質ハローで生成されるはずなので、望遠鏡を私たち以外の銀河に向けることも役立ちます。」ワン氏はさらに次のように述べています。「シミュレーションから得た知識により、ハローを検出するために、ガンマ線、重力レンズ効果、ダイナミクスなど、さまざまなツールを評価できます。これらの方法はすべて、暗黒物質粒子の性質に光を当てる作業において有望です。」
研究の結果は、現在の研究者と将来の研究者の両方が、そこに何があるかを理解できるようにするための経路を提供します。「暗黒物質の性質を理解することは、宇宙論の聖杯の1つです。宇宙の重力を支配していることはわかっていますが、その基本的な特性についてはほとんどわかっていません。個々の粒子の重さ、ある種の相互作用がある場合、それは通常の問題などと関係しています」とボーズ氏は語った。「コンピューターシミュレーションを通じて、宇宙での構造形成におけるその基本的な役割について学ぶようになりました。特に、ダークマターがなければ、宇宙は今のようには見えないことに気づきました。銀河も、星も、惑星も、したがって生命もありません。

DOI：10.1038 / s41586-020-2642-9

マサチューセッツ州ケンブリッジに本部を置く天体物理学センター| Harvard＆Smithsonian（CfA）は、スミソニアン天体物理天文台とハーバード大学天文台のコラボレーションです。CfAの科学者は、6つの研究部門に編成され、宇宙の起源、進化、究極の運命を研究しています。