【宇宙】行方不明だったバリオン(宇宙の通常物質の1/3)を銀河間空間で発見

野良ハムスター ★

今日の宇宙論では、宇宙に存在する全物質・エネルギーのうち約70% は「ダークエネルギー」と呼ばれる正体不明のエネルギーであり、約25% は「ダークマター」と呼ばれる正体不明の物質であるとされ、通常の物質の比率はわずか5% 程度に過ぎないと考えられている。

ダークエネルギーやダークマターは文字通り謎に包まれた存在だが、陽子や中性子などのバリオン粒子で構成されている通常物質についても、いまだ解明されていない謎が残っており、「行方不明のバリオン問題」などと呼ばれてきた。これは、観測データから推定される通常物質の存在量が、ビッグバン理論に基づいて宇宙誕生時に生成されたはずのバリオン粒子の数と大きく食い違うという問題である。

これまでの観測データから、銀河や銀河団などを構成している通常物質は宇宙誕生時に作られたバリオン粒子のうち10% 程度であり、60% 近い数のバリオン粒子は銀河間の広大な宇宙空間に拡散するガス状物質として存在していることがわかっていた。しかし、残りの30% 程度の通常物質については、どこにどのような状態で存在しているのかがはっきりしていなかった。

欧州、米国、メキシコ、アルゼンチンなどの天文学者による国際研究チームは今回、この行方不明の通常物質の所在を突き止めることができたと発表した。それによると、全宇宙の通常物資の約30% を占める行方不明のバリオンは、宇宙空間に広がった網目状のネットワーク構造中の「フィラメント部分」に存在していると考えられるという。

このネットワークは「宇宙の大規模構造」とも呼ばれ、希薄なガスでできたフィラメント状の網目によって、たくさんの銀河や銀河団などが互いに結びついている巨大な構造である。フィラメント部分に含まれているガスの温度は数千度から数百万度までと幅があり、このうち比較的温度の高い100万度くらいのガスは「中高温銀河間物質」 (WHIM:warm-hot intergalactic medium)と呼ばれている。

コロラド大学ボルダー校のMichael Shull氏らのグループは、2012年、このWHIMに行方不明のバリオンが存在しているという仮説を発表していた。今回の研究では、欧州宇宙機関(ESA)が運用するX線観測衛星「XMM-Newton」などの観測データを用いて、この仮説を検証した。

具体的には、地球から40億光年先にあるクエーサー(準恒星状天体)「1ES 1553」が放つ強力な電磁波(X線から電波領域の波長)を2015年から2017年にかけて合計18日間観測し、行方不明のバリオンの存在証拠をその観測データの中に見つけることを試みた。

クエーサー1ES 1553は遠方の銀河中心にあるブラックホールであり、周囲の物質を活発に飲み込みながら強力な電磁波を放射していると考えられている。その電磁波のスペクトルを分析することによって、電磁波が地球に到達するまでに通過してきたWHIMに関する情報を知ることができる。

今回の場合、観測衛星XMM-Newtonとクエーサー1ES 1553を結んだ視線方向の2箇所にある高温の銀河間ガス中に酸素が存在している証拠を、X線の吸収線スペクトルの分析から得ることができたとする。そして、酸素を含むWHIM中の物質が宇宙の全方向に存在しているとすると、そこから推定されるバリオン粒子の数は、これまで行方不明とされていたバリオン粒子数に一致すると研究チームは結論している。

今後の研究課題としては、XMM-NewtonおよびNASAのチャンドラX線観測衛星を使ってさらに多数のクエーサーについても観測を行い、WHIMに関するデータの精度を上げていく必要があるとしている。また、WHIMの分布や特性を完全に調べるためには、2028年にESAが打ち上げ予定の宇宙観測衛星Athena(Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics)のような、より高精度の観測手段が必要になるとしている。

図：40億光年先のクエーサーから届く強力なX線のスペクトル分析から、途中に存在している中高温銀河間物質(WHIM)に含まれている酸素を検出した。その存在量は「行方不明のバリオン」の量に一致した (出所:ESA)
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