宇宙には、光などの電磁波では観測することができず、重力を介してのみ間接的に存在を知ることができる“ダークマター（暗黒物質）”が、普通の物質よりも多く存在することが分かってきています（※1）。
有力候補として長年挙げられている未知の素粒子“アクシオン（Axion）”は、もし見つかれば暗黒物質の正体を明らかにするだけでなく、現在の素粒子物理学を書き換える大発見になるんですねー
でも、未だに見つかっていません。
今回の研究では、中性子星の周りでアクシオンに由来する光がないかどうかを、中性子星の観測結果とシミュレーション計算を比較することで解析しています。
解析の結果、アクシオンの兆候を見つけることはできず…
ただ、これまでとは異なる方法で、アクシオンが存在する範囲の絞り込みは行えたようです。
銀河内を公転している星々は、遠心力と重力が釣り合っているから飛び出すことなく公転できています。
でも、実際の観測結果をもとに銀河の質量と回転速度を算出してみると、銀河を構成する星々やガスなどの総質量だけでは釣り合いが取れないほどの速度で回転していることが分かってきます。
そこで、銀河を構成する星がバラバラにならず形をとどめている原因を、光をはじめとする電磁波と相互作用せず直接観測することができない物質の重力効果に求めたのが“暗黒物質説”の始まりになっています。
この暗黒物質の正体を探ることは、天文学における最大の課題の1つになっているんですねー
暗黒物質の正体は、観測困難だけど普通の物質だという説から、全く未知の物理学的現象だとする説まであり、多くのことが予測されています。
その中でも長年有力候補に挙げられ続けているのが、未知の素粒子アクシオンです。
アクシオンは、物理学上の未解決問題である“強いCP問題”（※2）の解決のために予言された素粒子。
現代の素粒子物理学の基礎理論になっている“標準模型”では、予言されていない素粒子の一つになります。
なので、アクシオンが実在するかしないかは、物理学での大きな関心ごとになっています。
まず、アクシオンは電子の1億分の1以下と極めて軽いながらも質量を持っているので、大量に集まれば重力源になります。
また、アクシオンは他の物質とほとんど相互作用をせず、特に可視光線を含む電磁波とは相互作用をしないので、暗黒物質が電磁波で観測できないこととも整合します。
さらに、暗黒物質の研究が進むにつれ、暗黒物質は“冷たい暗黒物質（コールド・ダークマター）（※３）である可能性が高いと考えられてきます。
この冷たい暗黒物質の性質を満たしているのがアクシオンです。
このため、アクシオンが存在する場合、暗黒物資と強いCP問題という物理学上の大きな未解決問題を一気に進展させる可能性があります。
でも、一方でアクシオンは強い磁場の下で光子（電磁波の素粒子）に変換されることが予想されています。
強い磁場の下でアクシオンから変化した光子を検出できる可能性はあるので、アクシオンを探索する実験ではこの手法が使用されます。
ただ、残念ながら、地球の観測装置ではアクシオン由来の光子の検出には失敗。
そこで、アクシオン由来の光子の観測が可能な別の方法が考えられることになります。
それが、強い磁場を持つものが多い天体“中性子星”の周辺でした。
中性子星は、太陽の10～30倍程度の恒星が、一生の最期に大爆発した後に残される宇宙で最も高密度な天体。
主に中性子からなる天体で、ブラックホールと異なり半径10キロ程度の表面が存在し、そこに地球の約50万倍の質量が詰まっていています。
この中性子星の一種“マグネター（磁石星）”は、10秒程度の自転周期を持ち、主にX線で輝く天体です。
100億テスラ以上の超強磁場を持つと推定されていて、磁気エネルギーを開放することで輝くと考えられています。
アクシオンは強力な磁場が存在する環境では大量に生成され、その一部が光子に変換されると考えられています。
典型的な中性子星は毎秒約10の50乗個（100極個＝100兆×1兆×1兆個）ものアクシオンを生成するので、光子に変化されるアクシオンの数も相当あると予想されます。
この場合、実際の中性子星から放たれる電磁波の量は、アクシオンを考慮しない従来の物理学の理論で予想される電磁波の量よりも多くなるはずです。
そう、中性子星はアクシオンによって“光る”ので、これまでの予測よりも明るく見えるはずです。
この研究には、前提として中性子星の観測結果という点で大きな壁がありました。
それは、アクシオンから発生する電磁波は、アクシオン以外の理由で放出される電磁波と比べて極めてわずかなので、中性子星から放出される電磁波の量が正確に観測できていなければ、アクシオン由来の電磁波をとらえることが困難になるからです。
一方、中性子星が放射している電磁波は電波からガンマ線まで様々な波長に及びます。
でも、私たちが観測できているのはほとんどが電波で、それ以外の放射は極めてわずかしかとらえられていません。
もともと、観測されている電磁波の量が少ないので、ここから中性子星の実際の電磁波の総量を推定することは困難でした。
そこで、今回の研究では、中性子星でアクシオンがどのように生成されて中性子星の重力を逃れるのかを、厳密なシミュレーションを実施。
ただ、そのためには中性子星の周りに存在する磁場の正確な理解が欠かせないんですねー
このため、研究チームでは、中性子星の磁場の研究のために開発したシミュレーションに、アクシオンの生成についての項目を追加して研究を実施。
こうすることで、アクシオンの生成と光子への崩壊についての詳細を理解することができました。
このシミュレーション結果を、非常に詳細な観測データが得られている27個の中性子星の観測データと比較。
もし、観測データとシミュレーション結果に大きな逸脱がある場合、それはアクシオンが光子に変換されたものである可能性があります。
残念ながら、今回の研究では、中性子星周辺でアクシオンから変換された光子の証拠を見つけることができませんでした。
でも、全く成果がなかったわけではありません。
たとえば、今回の結果から、アクシオンの質量は電子の1000億分の1～100兆分の1（10のマイナス8乗から10のマイナス5乗電子ボルト）に絞り込まれることになります。
これは、今までの手法で推定されていたアクシオンの質量とほぼ一致するものでした。
また、これまでの手法のいくつかは、アクシオンが暗黒物質だという仮定の下で質量を算出していました。
でも、今回の研究では、アクシオンが暗黒物質であるかどうかに関係なく質量の推定が行えています。
この前提の違いは重要なことになります。
様々なアプローチからアクシオンの探索を行う実験や研究は、アクシオンが見つからなかったとしても、アクシオンが存在する範囲を狭めることにつながります。
アクシオンは見つかっても見つからなくても、それ自体が新しい物理学の理論を構築するための重要な情報になります。
このような研究がこれからも続けられ、いつかはアクシオンや暗黒物質についての大きな知見を得ることになるのでしょうね。
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※1．宇宙は正体不明の“ダークマター（26.8％）”と“ダークエネルギー（68.3％）”で満たされていて、身近な物質である“バリオン（陽子や中性子などの粒子で構成された普通の物質）”は、宇宙の中にわずか4.9％しか存在しないことが分かってきている。
暗黒物質の正体は現在でも不明なんですが、未知の素粒子や、それらの素粒子が結合してできた複合粒子が有力な候補の1つとして長年考えられてきました。有力候補として長年挙げられている未知の素粒子“アクシオン（Axion）”は、もし見つかれば暗黒物質の正体を明らかにするだけでなく、現在の素粒子物理学を書き換える大発見になるんですねー
でも、未だに見つかっていません。
今回の研究では、中性子星の周りでアクシオンに由来する光がないかどうかを、中性子星の観測結果とシミュレーション計算を比較することで解析しています。
解析の結果、アクシオンの兆候を見つけることはできず…
ただ、これまでとは異なる方法で、アクシオンが存在する範囲の絞り込みは行えたようです。
この研究は、アムステルダム大学のDion Noordhuisさんたちの研究チームが進めています。
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| 図1．中性子星のイメージ図。（Credit: ESO/L. Calçada） |
暗黒物質の性質の多くの条件を満たす未知の素粒子
暗黒物質が発見されるきっかけになったのは、銀河の回転速度にありました。銀河内を公転している星々は、遠心力と重力が釣り合っているから飛び出すことなく公転できています。
でも、実際の観測結果をもとに銀河の質量と回転速度を算出してみると、銀河を構成する星々やガスなどの総質量だけでは釣り合いが取れないほどの速度で回転していることが分かってきます。
そこで、銀河を構成する星がバラバラにならず形をとどめている原因を、光をはじめとする電磁波と相互作用せず直接観測することができない物質の重力効果に求めたのが“暗黒物質説”の始まりになっています。
この暗黒物質の正体を探ることは、天文学における最大の課題の1つになっているんですねー
暗黒物質の正体は、観測困難だけど普通の物質だという説から、全く未知の物理学的現象だとする説まであり、多くのことが予測されています。
その中でも長年有力候補に挙げられ続けているのが、未知の素粒子アクシオンです。
アクシオンは、物理学上の未解決問題である“強いCP問題”（※2）の解決のために予言された素粒子。
現代の素粒子物理学の基礎理論になっている“標準模型”では、予言されていない素粒子の一つになります。
なので、アクシオンが実在するかしないかは、物理学での大きな関心ごとになっています。
※2．原子核を安定化させる“強い相互作用”に存在する未解決問題。強いCP問題を解決する最もシンプルな解決策にともなって出現する素粒子がアクシオン。
さらに、理論的に予測されるアクシオンの性質は、暗黒物質の性質の多くの条件を満たしています。まず、アクシオンは電子の1億分の1以下と極めて軽いながらも質量を持っているので、大量に集まれば重力源になります。
また、アクシオンは他の物質とほとんど相互作用をせず、特に可視光線を含む電磁波とは相互作用をしないので、暗黒物質が電磁波で観測できないこととも整合します。
さらに、暗黒物質の研究が進むにつれ、暗黒物質は“冷たい暗黒物質（コールド・ダークマター）（※３）である可能性が高いと考えられてきます。
この冷たい暗黒物質の性質を満たしているのがアクシオンです。
このため、アクシオンが存在する場合、暗黒物資と強いCP問題という物理学上の大きな未解決問題を一気に進展させる可能性があります。
※3．暗黒物質が何らかの粒子で構成されている場合、粒子が移動することによる運動エネルギーがあることになる。普通の物質は、粒子の運動が激しいほど温度が高いことを意味するので、それになぞらえ粒子の質量に対する運動エネルギーが高いものを“熱い暗黒物質”、低いものを“冷たい暗黒物質”と呼ぶ。近年の研究の多くは冷たい暗黒物質を支持している。
アクシオンは強い磁場の下で光子に変換される
アクシオンそのものの検出は極めて難しいとされています。でも、一方でアクシオンは強い磁場の下で光子（電磁波の素粒子）に変換されることが予想されています。
強い磁場の下でアクシオンから変化した光子を検出できる可能性はあるので、アクシオンを探索する実験ではこの手法が使用されます。
ただ、残念ながら、地球の観測装置ではアクシオン由来の光子の検出には失敗。
そこで、アクシオン由来の光子の観測が可能な別の方法が考えられることになります。
それが、強い磁場を持つものが多い天体“中性子星”の周辺でした。
中性子星は、太陽の10～30倍程度の恒星が、一生の最期に大爆発した後に残される宇宙で最も高密度な天体。
主に中性子からなる天体で、ブラックホールと異なり半径10キロ程度の表面が存在し、そこに地球の約50万倍の質量が詰まっていています。
この中性子星の一種“マグネター（磁石星）”は、10秒程度の自転周期を持ち、主にX線で輝く天体です。
100億テスラ以上の超強磁場を持つと推定されていて、磁気エネルギーを開放することで輝くと考えられています。
アクシオンは強力な磁場が存在する環境では大量に生成され、その一部が光子に変換されると考えられています。
典型的な中性子星は毎秒約10の50乗個（100極個＝100兆×1兆×1兆個）ものアクシオンを生成するので、光子に変化されるアクシオンの数も相当あると予想されます。
この場合、実際の中性子星から放たれる電磁波の量は、アクシオンを考慮しない従来の物理学の理論で予想される電磁波の量よりも多くなるはずです。
そう、中性子星はアクシオンによって“光る”ので、これまでの予測よりも明るく見えるはずです。
中性子星の観測結果とシミュレーションを比較
今回の研究では、中性子星から放射される光の中に、アクシオンから変化した光子が含まれている可能性を、中性子星の観測結果とシミュレーションを組み合わせて調べています。この研究には、前提として中性子星の観測結果という点で大きな壁がありました。
それは、アクシオンから発生する電磁波は、アクシオン以外の理由で放出される電磁波と比べて極めてわずかなので、中性子星から放出される電磁波の量が正確に観測できていなければ、アクシオン由来の電磁波をとらえることが困難になるからです。
一方、中性子星が放射している電磁波は電波からガンマ線まで様々な波長に及びます。
でも、私たちが観測できているのはほとんどが電波で、それ以外の放射は極めてわずかしかとらえられていません。
もともと、観測されている電磁波の量が少ないので、ここから中性子星の実際の電磁波の総量を推定することは困難でした。
そこで、今回の研究では、中性子星でアクシオンがどのように生成されて中性子星の重力を逃れるのかを、厳密なシミュレーションを実施。
ただ、そのためには中性子星の周りに存在する磁場の正確な理解が欠かせないんですねー
このため、研究チームでは、中性子星の磁場の研究のために開発したシミュレーションに、アクシオンの生成についての項目を追加して研究を実施。
こうすることで、アクシオンの生成と光子への崩壊についての詳細を理解することができました。
このシミュレーション結果を、非常に詳細な観測データが得られている27個の中性子星の観測データと比較。
もし、観測データとシミュレーション結果に大きな逸脱がある場合、それはアクシオンが光子に変換されたものである可能性があります。
残念ながら、今回の研究では、中性子星周辺でアクシオンから変換された光子の証拠を見つけることができませんでした。
でも、全く成果がなかったわけではありません。
たとえば、今回の結果から、アクシオンの質量は電子の1000億分の1～100兆分の1（10のマイナス8乗から10のマイナス5乗電子ボルト）に絞り込まれることになります。
これは、今までの手法で推定されていたアクシオンの質量とほぼ一致するものでした。
また、これまでの手法のいくつかは、アクシオンが暗黒物質だという仮定の下で質量を算出していました。
でも、今回の研究では、アクシオンが暗黒物質であるかどうかに関係なく質量の推定が行えています。
この前提の違いは重要なことになります。
様々なアプローチからアクシオンの探索を行う実験や研究は、アクシオンが見つからなかったとしても、アクシオンが存在する範囲を狭めることにつながります。
アクシオンは見つかっても見つからなくても、それ自体が新しい物理学の理論を構築するための重要な情報になります。
このような研究がこれからも続けられ、いつかはアクシオンや暗黒物質についての大きな知見を得ることになるのでしょうね。
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