~意外と宇宙は滑らかだった? 120 億年前に銀河の暗黒物質が初めて検出されました。 観測結果

名古屋大学、東京大学、国立天文台の研究者を含む研究チームは、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラを使用した大規模な研究と、宇宙マイクロ波背景放射からのデータを組み合わせました。約 120 億年前の宇宙マイクロ波背景放射の起源を特定 遠方宇宙の銀河周辺の暗黒物質の存在を世界で初めて検出することに成功。 その尺度を使用して、宇宙構造の不規則性を測定し、標準的な宇宙論で予想されるよりも小さい値を得ました。 もしこの矛盾が真実なら、私たちの宇宙像は変化を余儀なくされ、さらなる観測による検証が必要になります。 この研究成果は、将来の大規模探査・観測プロジェクトの先駆けとなるものです。

~意外と宇宙は滑らかだった?  120億年前に銀河の暗黒物質が初めて発見された.

図 1: 本研究のイメージ図。 宇宙マイクロ波背景放射と可視光の画像観測から、目に見えない物質「暗黒物質」の分布を調べました。 (クレジット:松下玲子(名古屋大学))


暗黒物質は目に見えない正体不明の物質ですが、私たちが住む宇宙の構造形成、特に銀河の形成には重力源として不可欠であることが知られています。 暗黒物質は自ら光を発しないため、望遠鏡で直接見ることはできません。 しかし、「重力レンズ」と呼ばれる現象を利用してその分布を測定することができます (注 1)。 銀河の重力レンズ効果は弱いですが、多くの銀河を重ね合わせることで、それらの銀河を取り囲む暗黒物質の平均的な分布を測定することができます。 これまで、現在から約80億年前までの銀河周辺の暗黒物質の分布は、銀河を背景光源とする重力レンズ効果を用いて測定されてきました。 しかし、遠方宇宙では、(1)観測できる遠方銀河の数が少なく、(2)背景光源となる銀河が存在しません。

すばる望遠鏡のHyper Suprime-Cam (HSC) を用いた戦略的枠組み計画 (HSC-SSP) は、全天の約1/30の画像を捉え、非常に遠くの銀河を観測することができる大規模な調査です。. 研究チームは、HSC-SSP 画像データから 120 億年前の銀河を約 150 万個検出し、遠く離れた銀河の大きなサンプルを作成しました。 これにより、「遠くに観測できる銀河の数が少ない」という問題が解決されます。 さらに、ビッグバン直後の熱い宇宙からの光である宇宙マイクロ波背景放射(注2)を重力レンズの背景光源として利用することで、「使える銀河がない」という問題を解決しました。バックライト光源として」(図2)。 )。 このように、マイクロ波とHSC-SSPのデータを組み合わせることで、約120億年前の銀河系の暗黒物質の存在を世界で初めて検出することに成功しました(図3)。

~意外と宇宙は滑らかだった?  120億年前に銀河系の暗黒物質を初めて発見 図2

図2:本研究手法の概念図。 ビッグバン直後(宇宙誕生から38万年後)の熱い宇宙からの光である宇宙マイクロ波背景放射を重力レンズ効果の背景光源として利用することで、地球の周りにある暗い物質の存在を調べることができます。 120億年前の銀河を発見。 高解像度の画像を見るにはここをクリック (1.6 MB) (Credit: NASA/WMAP, ESA/Plank, NAOJ/HSC)


~意外と宇宙は滑らかだった?  120億年前に銀河系の暗黒物質を初めて発見 図3

図 3: この研究で検出された 120 億年前の銀河周辺の暗黒物質信号 (赤丸) と理論的予測 (破線)。 横軸は銀河中心からの距離、縦軸は暗黒物質の量を表しています。 (Credit: Hironao Miyatake et al., Physical Review Letters, American Physical Society)


研究チームはさらに120億年前の宇宙の構造から標準宇宙論(注3)を仮定し、不等度σを計算しました。8推定されました。 その値は、宇宙マイクロ波背景放射のプランク衛星測定と標準宇宙論を組み合わせることによって予測されます。8(図 4)。 約 80 億年前までの近距離宇宙の観測研究でも、σ8プランクの予測よりも小さく、この研究の結果もこの可能性を支持しています. ただし、この研究の統計的有意性は十分ではありませんでした (σ8約 90% の可能性)、追加の検証が必要です。

~意外と宇宙は滑らかだった?  120億年前に銀河系の暗黒物質を初めて発見 図4

図4:現在の宇宙構造の不規則度σ8が縦軸にプロットされ、測定値が導出されたサンプルの赤方偏移が横軸にプロットされます。 赤い点はこの研究で得られた限界を表し、他の点は近くの宇宙の暗黒物質分布を使用して得られた値を表します。 灰色の線は、プランクの測定値から予測された σ です。8(Credit: Hironao Miyatake et al., Physical Review Letters, American Physical Society)


観測チームが使用した120億年前の銀河の大規模サンプルは、広さと深さを兼ね備えたHSC-SSPによって初めて可能になりました。 今回使用したサンプルは、スキャン領域全体の 3 分の 1 しか使用していません。 今後の研究では、HSC-SSP 調査地域全体からのデータを使用することで、より高い統計精度での測定が可能になります。

この研究は、約120億年前の銀河周辺の暗黒物質の分布を測定できることを示すだけでなく、遠い宇宙からの情報を使用した宇宙論的検証への新たな扉を開きます。 2020 年代には、複数の望遠鏡を使用した HSC-SSP を凌駕する新しい大規模なイメージング研究が開始されます。 また、次世代のマイクロ波望遠鏡による観測が進んでおり、より精度の高いマイクロ波観測が可能な望遠鏡の建設が計画されています。 これらの将来の計画が間近に迫っていることから、この研究は遠方宇宙の宇宙探査のパイオニアとして位置付けられています。

本研究成果の詳細については、2022 年 8 月 2 日付の名古屋大学プレスリリースをご覧ください。

この調査の結果は、宮武らによって公開されました。150 万個の銀河が z ~ 4 で生成する CMB レンズ効果信号の最初の同定: 高赤方偏移での物質密度変動の制約が2022年8月1日にアメリカの物理学専門誌「Physical Review Letters」に掲載されました。本研究成果は、編集者の提案により選定され、同誌の主要論文として位置付けられています。

この研究は、科学研究 (A) 助成金 (JP15H02064)、科学研究 (B) 助成金 (JP20H01932)、および革新的領域の科学研究 (公募研究) (19H05100、21H00070) によって支援されました。

(注1)重力レンズ効果:
遠方の光源からの光が、前景にある質量構造(暗黒物質を含む)によって屈折する現象。 その結果、光源が複数の画像として表示されたり、光源の形状が歪んだりします。 この研究では後者の効果を利用しています。

(注2)宇宙マイクロ波背景放射:
宇宙誕生から約38万年後、宇宙の温度が下がり、それまでプラズマ状態だった宇宙の陽子と電子が結合し、光子が自由に動くようになりました。 これは、私たちが光で見ることができる最も古い宇宙であり、宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれています。 この研究では、欧州宇宙機関によって打ち上げられたプランク衛星からの観測データを使用して、宇宙マイクロ波背景放射を観測します。

(注3)標準宇宙論:
これまでの宇宙観測は、銀河形成の重力源である暗黒物質と、近傍宇宙の加速膨張の源である暗黒エネルギーを含む「標準ΛCDM宇宙論」でうまく説明できる。 . この標準的な宇宙論は、宇宙における物質の分布における不平等の程度を説明しています (σ8)」と「暗黒物質のエネルギー密度 (Ωメートル)」は、6 つの宇宙論的パラメーターによって記述されます。

すばる望遠鏡について
すばる望遠鏡は、国立天文台自然科学研究機構が運用する大規模な光学・赤外線望遠鏡で、文部科学省の大規模学術フロンティア推進事業の支援を受けています。そしてテクノロジー。 すばる望遠鏡のあるマウナケアは、美しい自然環境であり、ハワイの文化と歴史において重要な場所です。 .











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