宇宙論パラメーターの謎を解決!? ダークマターだけでなくバリオンやニュートリノも考慮した大規模な構造形成シミュレーションを実施

宇宙初期の急加速膨張“インフレーション”の際に生じた密度ゆらぎがもとになり、ダークマターの密度の空間的なゆらぎが重力によって成長していきます。
そのダークマターの重力に引き寄せられた水素やヘリウムが集まり、星や銀河が作られ、網の目状に広がる宇宙の大規模構造を形成してきたと考えられています。

宇宙の大規模構造では、銀河がほとんど存在しない領域“ボイド”や、逆に銀河が多く集まる“フィラメント構造”など、銀河が偏って存在しています。

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ます。
その“バリオン”も、星や銀河、星間ガスなどとして観測されている量はおよそ半分で、残り半分はまだ見つかっていません。

これが“ミッシング（行方不明の）バリオン問題”です。
ミッシングバリオンは宇宙の構造形成シミュレーションから、網の目のような宇宙の大規模構造に沿って分布しているのではないかと予想されています。

現在の宇宙論では、宇宙の大規模構造が生まれた歴史は“Λ-CDMモデル”というモデルで説明されていて、宇宙の性質は現在の膨張率（ハッブル定数）やバリオン・ダークマター・ダークエネルギーの比率など、６個ほどのパラメーター（宇宙論パラメーター）で表されています。

ただ、この宇宙論パラメーターは観測では精密に求められていますが、その観測値には未解決の問題があるんですねー

それは、ハッブル定数など一部の宇宙論パラメーターで、宇宙マイクロ波背景放射の観測から導いた値と、銀河の距離測定から導いた値、あるいは銀河団が遠くの銀河の形を歪ませる“弱い重力レンズ効果”の観測から導いた値とが、なぜか一致しないという謎でした。

この謎については、宇宙論パラメーターをめぐる“テンション（tension; 緊張、対立）”と呼ばれ、素粒子物理学の“標準模型”を超える物理が関わっているとか、これまでの観測に未知の系統誤差が含まれているといった原因が考えられています。

この謎を解くのに重要なのは、ビッグバン以降の宇宙の構造形成をコンピュータシミュレーションし、その結果と観測とを比べること。

でも、これまでの多くの構造形成シミュレーションは、主にダークマター同士の重力だけを計算し、大規模構造などの大きなスケールで働く重力だけを扱うものでした。
理由は簡単、宇宙に存在する重力源の8割以上がダークマターによるものだからです。

バリオンやニュートリノも考慮した大規模な構造形成シミュレーション

オランダ・ライデン大学のJoop Schayeさんたちの研究チームが進めているのは、ダークマターだけでなくバリオンやニュートリノも考慮した大規模な構造形成シミュレーションプロジェクト“FLAMINGO”。
今回、その最初の結果が発表されました。

宇宙の構造形成シミュレーション“FLAMINGO”で再現された現在の宇宙の大規模構造。背景の画像は明るい部分ほどダークマターの密度が高く、黄色の部分ほどニュートリノの密度が高いことを示す。内部のパネルはそれぞれ、左上にできた最も質量の大きなダークマターハローを拡大した図で、（右上）バリオンガスの温度、（右下）ダークマターの密度、（左下）X線で観測した場合の明るさを表す。（提供：Josh Borrow, the FLAMINGO team and the Virgo Consortium）

重力を支配しているのはダークマターですが、普通の物質の寄与も決して無視することはできません。
それは、普通の物質がモデルと観測結果のズレに似た効果を生むかもしれないからです。

でも、構造形成の計算にバリオンを加えるのは非常に難しいことでした。

バリオンには重力だけでなく圧力も働き、活動銀河核や超新星爆発によって銀河の物質が“銀河風”となって銀河空間に放出され、これが銀河の星形成を促進したり抑えたりしています。

でも、こうした現象のスケールは、重力の計算に使われる粒子や格子1個のサイズよりずっと小さく、具体的にどんな効果を及ぼすかもよく分かっていません。

さらに、宇宙に存在するニュートリノもわずかながら質量を持っているので、精密な計算を行うにはニュートリノも考慮する必要があります。
でも、ニュートリノ自体の質量や構造形成に与える影響も分かっていないんですねー

そこで、研究チームは、銀河風の強さやニュートリノの質量などのパラメーターを様々に変え、銀河に含まれる星の質量やガスの割合などの観測結果を最もよく再現できるパラメーターのセットを探すことになります。
この作業には機械学習の手法が使われています。

そして、この作業で得られたパラメーターを使って、ダークマターの重力計算とバリオン・ニュートリノの流体計算を組み合わせ、宇宙の進化を再現。
最大のシミュレーションでは、ダークマターとバリオンをそれぞれ約1280億粒子、ニュートリノを約219億粒子で再現し、1辺が約91億光年の立方体の空間で計算を行われました。

これは、バリオンを入れた大規模な宇宙論的流体シミュレーションとしては過去最大のもの。

今回発表された最初の結果によると、バリオンとニュートリノを考慮することが重要なことは分かりました。
ただ、銀河風などのバリオンが関わる効果は、宇宙論パラメーターのテンションを解消できるほど大きくはないことも判明したそうです。

研究の動画。（提供：Yannick Bahé, het FLAMINGO-team en het Virgo Consortium）

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