ダークマター

1. Enjoy Science
ダークマター(暗黒物
質)を解き明かせ！
宇宙の極上ミステリー
2024/2/11

2. 留意事項
◼ この分野はまだ不確定要素と流動性が高いので、あくまで発信
日時での情報であることに留意ください。
◼ 所属組織ではなく、あくまで個人としての発信です。本情報に
伴う結果に関して責任は負いかねます。
2

3. 本シリーズ共通の趣旨：３つの謎をカジュアルに楽しむ
生命とは？
宇宙とは？
知能とは？
宇宙物理学
宇宙生物学
分子生物学
合成生物学
神経科学
コンピュータ科学
物理学
生物学
化学
生理学
数学
解きたい謎 関連する学問テーマ 学問テーマの大分類
3

4. 全体の流れ
1. ダークマター発見の歴史
2. ダークマターの候補
1. 天体系
2. 素粒子系
3. その他
3. まとめ
4

5. 現代宇宙論の創始者
5
アルベルト・アインシュタイン
(1879〜1955)

6. ダークマター発見の歴史：現代宇宙論の父
6
時空の歪みで星の光もゆがむ（重力レンズ）
重力とは時空の歪みの度合い
時空の歪み（＋宇宙定数）＝物質の質量(エネルギー)
↑宇宙を定常させるための苦肉の策
1916年の一般相対性理論（別名 重力）方程式の意味合い

7. ダークマター発見の歴史：宇宙は膨張していた
7
天体１
天体２
1929年にハッブルが遠くの天体ほど早く遠ざかる現象
(赤方偏移)を観測→宇宙の膨張が検証
〇国立科学博物館サイト
https://www.kahaku.go.jp/exhibitions/vm/resource/tenmon/space/the
ory/theory01.html
https://digital.archives.caltech.edu/islandora/object/image%3A2013
1931年にハッブル(中央)と共に宇宙膨張を示した
望遠鏡を覗くアインシュタイン
→膨張宇宙説支持を表明し、宇宙定数を撤廃
→ガモフのビッグバン理論（1948年）

8. ダークマター発見の歴史：課題の提起(1930年代)
8
悪口が多いが業績は凄い
フリッツ・ツビッキー
(1898-1974)
目に見える物質
から計算した引力
未発見の物質があるのでは？
→暗黒物質（ダークマター）
銀河団（銀河の集まり）の光量と運動速度それ
ぞれから質量（つまり引力）を計算。
（ツビッキーの論文(1933年)より抜粋して和訳）
「観測されたような毎秒 1000 km かそれ以上という中程度のドップラー効果を得るためには、かみの
け座銀河団の平均密度は光っている物質の観測から導かれた値の少なくとも400倍かそれ以上である
はずである。これが証明されれば、光っている物質よりもはるかに多くの暗黒物質が存在するという
驚くべき結論が得られる。」
オールトの雲で
有名な
ヤン・オールト
(1900-1992)
ダークマターのパイオニアたち
※いずれもWikiより
速度から
計算した引力
<

9. ダークマター発見の歴史：ビッグバンの残り火発見
Copyright@ Koji fukuoka 9
1965年に二人の技師が「たまたま」
発見
→速攻で１・２枚の論文を書いて
ノーベル物理学受賞
宇宙背景輻射（宇宙創成後 約37万年後の情報）
これで定常宇宙論は消えビッグバン理論が標準に

10. ダークマター発見の歴史：間接的証拠をつかむ
10
1970年にアンドロメダ銀河の回転速度を測定
→距離が遠くても理論と異なり減衰しない
太陽系惑星の公転速度（地球を１として）
→ニュートン法則に従い距離二乗に反比例
見えない物質が銀河にまとわりついている？
→ダークマターが再燃
距離に近い
単位
http://fnorio.com/0086orbital_velocity1/orbital_velocity1.htm

11. ダークマター発見の歴史：宇宙の大規模構造にも
11
Andrew Pontzen and Fabio Governato - Andrew Pontzen and Hiranya Peiris, [http://www.ucl.ac.uk/mathematical-physical-sciences/news-
events/maps-news-publication/maps1423Illuminating illumination: what lights up the universe?], UCLA press release, 27 August 2014.
flickr.com (high resolution version), CC 表示 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34973360による
宇宙初期のゆらぎが重力不安定性によっ
て成長して濃淡構造が形成。
ただ、コンピューターシミュレーション
との比較から、宇宙の質量の大部分は
「暗黒物質」が必要に
1980年代に、
広範囲のサーベイで「宇宙の大規模構造」が明らかに
2021年に日本のスパコンで行われた
ダークマター形成シミュレーション

12. 参考：すばる望遠鏡のダークマター分布図
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https://www.subarutelescope.org/jp/results/2018/02/26/853.html
HSC の銀河の形状から弱重力レンズ効果を利用して再構成した、ダークマターの２次元分
布図。濃い部分がダークマターのかたまりが観測された場所を表します。今回観測された
160 平方度のうち、約 30 平方度の連続した領域を示しています。特にダークマターが集中
している場所をオレンジの丸で示しています。

13. 参考：大体の銀河/銀河団にまとわりついている
13
https://hotozero.com/knowledge/kobeuniv_darkmatter/

14. 参考：ダークマターで恐竜絶滅？
14
https://www.amazon.co.jp/dp/B01DJH9SIU
太陽系を球状に囲む天体密集地帯で彗星の
起源とされる。これらが周期的に太陽系に
集中放出されるメリーゴーランド仮説も。
メリーゴーランドによる力（銀河面からの潮汐力）だけでは
オールトの雲にある天体を太陽系に飛ばせるには不十分
→天の川銀河にまとわりつく一部のダークマターとの相互作用
がその弾みをつけたのでは？
（ダークマターは均一でなく多様な性質からなると仮定）

15. ダークマター発見の歴史：宇宙初期から関与？
Copyright@ Koji fukuoka 15
http://astro-dic.jp/
宇宙初期に超膨張（インフレーション）が起こった
→ではなぜ天体・銀河は膨張に負けず集団を維持できた？
→このころからダークマターが銀河をつなぎとめていたのでは？
10万分の一程度のムラ（温度差）
1990年代から宇宙望遠鏡
観測がはじまる

16. ダークマター発見の歴史：20世紀末にさらなる謎が
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約68% : 暗黒エネルギー
約5%：我々が知る物質（原子とか）
約27%：
暗黒物質（ダークマター）
https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/features/f_00060.html
膨張速度が宇宙年齢約70億歳でギアアップ
宇宙
一般相対性理論（別名 重力）方程式の意味合い（再掲）
時空の歪み＋宇宙定数 ＝物質のエネルギー
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
ダ
ー
ク
エ
ネ
ル
ギ
ー

17. ダークマター発見の歴史：現状整理
17
〇標準理論が直面するいくつかの限界（素粒子物理国際研究センターサイト）
https://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/elementaryparticle/beyond.html
ダークマターの特徴
1. 宇宙初期から安定している
2. 素粒子の標準模型(下図)にはなさそう
3. 重力以外との相互作用は未だ不明
宇宙の歴史と力の分離時期

18. ダークマターの候補：現状整理
18
# 分類 候補 特徴
1 天体系
MACHO
(Massive
Compact Halo
Object)
恒星質量のコンパクト天
体。当初はブラックホー
ル含む暗い天体探しが中
心。
2
素粒子
系
WIMP (Weakly
Interacting
Massive
Particle)
現存素粒子と弱い相互作
用のみを持つ粒子。ダー
クマター総量と等しいこ
とで最有望候補
3
Axion
(アキシオン)
標準理論を満たす仮想の
素粒子
4 ダークフォトン
宇宙初期に生成され、光
に結び付いた物質
5 その他 ？？？ 従来の常識を覆す説も。
ダークマター候補の分類（一部）と一般的な探索方法
MACHO
WIMP
Axion/
ダークフォトン https://www-conf.kek.jp/joint-colloquium/2021/slides/chigusa.pdf

19. ダークマター候補：天体系（MACHO）
19
誕生
活動
（エネルギー放射）
エネルギー
枯渇
赤色巨星
超新星爆発
白色矮星
中性子星
密度大
ブラックホール
恒星の成長とブラックホールの位置づけ
宇宙初期(揺らぎ状態)なら
従来モデルと別ルートで
極小ブラックホールが出
来るのでは？
スティーブン
ホーキング
【上記モデルにおけるブラック
ホールの形成条件】
太陽の数十倍は大きくないと上
記ルートを経ることができない。

20. 20
原始ブラックホール

21. ダークマター候補：MACHO：原始ブラックホール
21
https://www.ipmu.jp/ja/20190402-PrimordialBlackHole
2019年にすばる望遠鏡が理論に沿った観測に成功（ただしまだ量は満たない）

22. ダークマター候補：素粒子系：WIMPS
22
https://www.sci.kyushu-u.ac.jp/koho/qrinews/qrinews_191115.html
素粒子の標準模型（重力は無視）では今のところダークマターと相互作用しないが・・・

23. ダークマター候補：素粒子系：アクシオン
23
小林誠 益川敏英
2008年ノーベル物理学賞受賞
宇宙の物質解明に貢献する
「CP対称性の破れ」
を、当時未発見のクォークを
予言して説明
ところが、一部の相互作用だけはなぜか「CP対称性は破れない」・・・
→対称性を維持する仮想の素粒子が「アクシオン」
http://kabuto.phys.sci.osaka-u.ac.jp/~rsato/hepss2023_.pdf

24. ダークマター候補：素粒子系：アクシオン
24
理論上の特徴
磁場をかけるとアクシオンは光子
に変換
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO28370420Q8A320C1000000/
ADMX実験(2018)
太陽で生成されるアクシオンを検出するIAXOプロジェクト
他にも世界の研究グ
ループが検出を目指す
が現時点ではみつから
ず（または証拠不足）

25. ダークマター候補：素粒子系：ダークフォトン
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https://optronics-media.com/news/20230308/80525/
https://www.tsukuba.ac.jp/journal/pdf/p20230307100000.pdf
ダークフォトンとは？
光にまとわりつくとされる未知の
素粒子（隠れ光子とも）
【１つの検出案】
理論上では、金属表面で微弱な光
に転換するため、それを高精度な
環境（極低温）で検出
京大のミリ波実験機（2023年）

26. ダークマター候補：その他：第二のコペルニクス転回
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ダークマターと重力は幻想で、
ダークエネルギーと物質の相互作用の結果
である。
https://wired.jp/2017/04/02/case-dark-matter/
https://www.ipmu.jp/ja/20150602-entanglement
https://en.wikipedia.org/wiki/Erik_Verlinde
https://drive.google.com/file/d/0B8F8b2CCkxYUM2FlNDZjMDYtNDJjYy00YTMyLWJlNzktOWI0MTdiZjJlZjc4/view?resourcekey=0--b9MB1SCrpzngRkfxcQUNg
ホログラフィー原理の模式図:
ある時空に含まれる情報は、その内部
ではなく表面に蓄えられるとする原理。
宇宙を重力を含まない別の理論(量子論)
に等価可能。
→重力は量子宇宙で創発された現象？
エリック・ヴァーリンデ(Erik Verlinde)
エントロピック重力理論の提唱者(2009)
重力をエントロピー的(物質とその空間内にある情
報(エントロピー)濃度を高めようとする現象)に再
定義。ニュートンやアインシュタイン方程式も理
論的に導出可能。
ただし、現時点では実証に乏しく広くは受け入れ
られていない。
ダークマターは、ダークエネルギー（宇宙全体に働く斥力）で
時空がちりぢりになるときに発生する反作用的な力。
宇宙は全て量子ビット(情報)で構成。
暗黒エネルギーで宇宙は膨張するが、
「量子もつれ」で相関関係は維持。
空間に「我々が知る物質」があると
「もつれ」の邪魔となり、その復元
力が「引力（ダークマター）」とし
て作用。

27. まとめ
• ダークマターは宇宙の形成に重要な仮想物質ですが、現時点で
においても（納得のいく）発見はされていません。
• 従来は素粒子系（WIMP／アキシオン）が有力でしたが、原始
ブラックホールも真剣に研究されています。
• 他にもユニークなアイデアはありますが、どれが正しいにせよ
現代物理学を大きく揺るがす可能性を秘めています。
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