夜空を見上げると星が見えるよね。都会じゃなかなか多くは見えないけど、田舎だと結構見えるよね。
よくテレビとかで満点の星空の映像を撮ってたりするのを見ると数えきれないほどの星が移っているよね。
NoPちゃんが科学館に行って勉強してきた宇宙の話なんだけど、今回は少し難しいかもしれないから頑張って読んでみてね。宇宙空間について。
調べてみよう、宇宙って実はスカスカなの？ ― 見えない物質「ダークマター」って何？
宇宙空間について
宇宙というと、星や銀河がぎっしり詰まっているようなイメージがあります。
でも実際には、宇宙は私たちが思っている以上にスカスカです。
恒星と恒星の間には、とてつもなく広い空間があります。
例えば太陽に一番近い恒星でも、約4.2光年離れています。
星そのものの大きさと比べると、その間の空間は圧倒的に広いです。
では、
「宇宙の大部分は本当に何もない空間なの？」
というと、話は少し複雑になります。
見える星やガスは少なくても、宇宙の重力の働きを調べると、
「何か見えない質量が存在しているのではないか」
と考えたくなる現象がたくさん見つかっています。
その正体不明の存在が、
ダークマター
です。
結論
結論からいうと、ダークマターは、光では見えないけれど、重力の働きから存在すると考えられている未知の物質です。
ただし、ダークマターそのものを直接見つけたわけではありません。
現在わかっているのは、
見えている星やガスだけでは説明できない重力の働きが、宇宙のさまざまな場所で観測されている
ということです。
その不足分を説明する有力な仮説として考えられているのが、ダークマターです。
ダークマターは宇宙の「空白」のこと？
これは違います。
ダークマターという名前から、
「宇宙の真っ暗で何もない部分がダークマターなの？」
と思うかもしれません。
でも、ダークマターは単なる空間や真空を指している言葉ではありません。
現在の考えでは、ダークマターは、
銀河や銀河団の周囲に広く分布している“見えない質量”
だと考えられています。
つまり、
何もない空間＝ダークマター
ではありません。
宇宙のスカスカに見える場所にも、普通の物質とは違う何かが分布している可能性がある、という話です。
銀河の周りには見えないものがある？
私たちが写真で見る銀河には、
- 星
- ガス
- ちり
などが写っています。
でも、銀河の動きを調べると、
見えている物質だけでは重力が足りない
ことがあります。
そのため、銀河の見える部分よりもさらに外側まで、
ダークマターハロー
と呼ばれる見えない質量の広がりがあると考えられています。
イメージとしては、
光って見える銀河を、もっと大きな見えない球状の領域が包んでいる
ような感じです。
なぜ見えないのに存在すると考えるの？
大きな理由の一つが、
銀河の回転速度
です。
銀河の中では、たくさんの星が銀河の中心の周りを回っています。
普通に考えると、中心から遠い星ほど重力が弱くなるため、ゆっくり回るはずです。
太陽系でも、
太陽に近い水星は速く、
遠くの海王星はゆっくり公転しています。
ところが銀河を観測すると、
外側の星が予想よりかなり速く回っている
ことがわかりました。
その速度だと飛んでいきそう
もし銀河にある質量が、目に見える星やガスだけなら、
外側の星を銀河につなぎ止めるだけの重力が足りない計算になります。
つまり、
「そんなに速く回っていたら、銀河の外へ飛び出してしまうのでは？」
という状態です。
でも実際には、星は銀河の中を回り続けています。
そこで、
見えていないけれど重力を持つ何かが大量にあるのではないか
と考えられるようになりました。
それがダークマターです。
ダークマターは黒い物質なの？
名前に「ダーク」とありますが、
黒い物質が宇宙を漂っている
という意味ではありません。
ダークマターは、
光を出したり反射したりしないため、普通の望遠鏡では見つけにくい
と考えられています。
だから「暗い」というより、
光では観測できない
という意味に近いです。
銀河の回転以外にも証拠はある？
あります。
その一つが、
重力レンズ
です。
非常に大きな質量があると、その周囲では時空が曲がります。
すると、その向こう側にある星や銀河から届く光も曲げられます。
これを重力レンズ効果といいます。
遠くの銀河団などを観測すると、背景の銀河がゆがんで見えることがあります。
そのゆがみ方から、
そこにどれくらい質量があるのか
を推定できます。
すると、
見えている星やガスだけでは足りない
場合があります。
ここでも、見えない質量の存在が必要になります。
宇宙全体ではどう分布しているの？
現在の宇宙論では、ダークマターは銀河ごとにバラバラに存在しているだけではなく、
宇宙全体に巨大な網目状の構造を作っている
と考えられています。
この巨大な構造は、
宇宙の大規模構造
と呼ばれます。
ダークマターが先に重力の骨組みのようなものを作り、そこへ普通の物質が集まって、
- 銀河
- 銀河団
- 超銀河団
などが形成されたという考えです。
つまりダークマターは、
宇宙の形を作る見えない骨組み
のような役割をしている可能性があります。
宇宙のどれくらいがダークマター？
現在の標準的な宇宙論では、宇宙全体のエネルギー・物質の内訳は、おおよそ、
- 普通の物質：約5％
- ダークマター：約27％
- ダークエネルギー：約68％
と考えられています。
つまり、
星や惑星、人間、ガスなど、私たちが知っている普通の物質は宇宙全体のごく一部
ということです。
この数字を見ると、
宇宙はスカスカどころか、見えていないもののほうがずっと多い
とも言えます。
ダークマターの正体は何？
ここが最大の謎です。
まだわかっていません。
候補としては、
- WIMP
- アクシオン
- 未知の素粒子
など、さまざまな仮説があります。
しかし、どれも決定的には確認されていません。
ブラックホールとは違うの？
基本的には別物として考えられています。
ブラックホールは、非常に大きな質量が小さな領域に集まった天体です。
一方ダークマターは、
未知の粒子などが広い範囲に分布している
可能性が考えられています。
ただし、一部のブラックホールがダークマターの一部を説明できるのではないか、という仮説もあります。
地球の近くにもあるの？
もしダークマターが銀河全体を大きく包んでいるなら、
太陽系もそのダークマターハローの中にあります。
つまり理論上は、私たちの周囲にもダークマターが存在していることになります。
ただし、普通の物質とはほとんど反応しないと考えられているため、
体の中を通り抜けていても気づかない
可能性があります。
本当に存在するの？
ここは大事なところです。
ダークマターは、
直接確認された未知の物質
ではありません。
あくまで、
さまざまな観測結果をまとめて説明するために非常に有力とされている仮説
です。
別の考え方として、
重力の法則そのものを修正すればダークマターは必要ないのではないか
という理論もあります。
その代表例が、
MOND
などの修正重力理論です。
ただし現在は、銀河の回転だけでなく、
- 重力レンズ
- 宇宙背景放射
- 銀河団
- 宇宙の大規模構造
などをまとめて説明するために、ダークマターを使う考え方が広く用いられています。
ダークエネルギーとは違う
ダークマターと名前が似ているものに、
ダークエネルギー
があります。
でも両者は別物です。
ダークマターは、
重力によって物質を集める方向に働く
と考えられています。
一方、ダークエネルギーは、
宇宙の膨張を加速させている原因
として考えられているものです。
どちらも正体はまだよくわかっていません。
まとめ
宇宙は、私たちが想像する以上にスカスカです。
星と星の間には、とてつもなく広い空間があります。
しかし、
何も見えない＝本当に何もない
とは限りません。
銀河の回転速度や重力レンズなどを調べると、
見えている物質だけでは説明できない重力
が存在します。
その原因として考えられているのが、
ダークマター
です。
ダークマターは宇宙の空白そのものではなく、
銀河や銀河団を包み、宇宙全体に広がっていると考えられている見えない質量
です。
そして現在の宇宙論では、普通の物質よりもダークマターのほうがはるかに多いと考えられています。
つまり宇宙は、
見た目はスカスカなのに、そこには私たちには見えない何かが大量に存在しているかもしれない
ということです。
その正体を人類はまだ知りません。
キーワード
ダークマター / 暗黒物質 / 宇宙 / 銀河 / ダークマターハロー / 重力 / 銀河回転曲線 / 重力レンズ / 宇宙の大規模構造 / ダークエネルギー / 科学
※本記事では、文章作成および画像生成の一部にAIを活用しています。
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