銀河の写真を見ると、明るい星が集まった円盤や渦巻腕が目立ちます。ところが、銀河の重力を調べると、目に見える星やガスだけでは説明できないほど大きな質量が、さらに外側まで広がっていることが分かります。この見えない質量を説明するために考えられているのが暗黒物質（ダークマター）です。
現在の標準的な宇宙論では、多くの銀河は、星が光っている範囲よりはるかに広い「暗黒物質ハロー」の中にあると考えられています。ハローとは、銀河の周囲を取り巻くように広がる質量分布のことです。殻のような固い構造があるという意味ではありません。
結論：銀河の外側まで強い重力が必要だから
銀河が暗黒物質のハローに包まれていると考えられる最大の理由は、銀河の外側を回る星やガスの速度が、見える物質だけから予想されるより速いからです。
もし銀河の質量のほとんどが、明るく見える中心部や円盤に集中しているなら、中心から遠ざかるほど軌道の内側にある質量はほとんど増えなくなります。その場合、外側を回る天体の速度は距離とともに下がっていくはずです。しかし実際の多くの渦巻銀河では、外側でも回転速度があまり下がらず、ほぼ一定に近い「平坦な回転曲線」が観測されます。
この運動を通常の重力で説明するには、光っている星の円盤が終わった先にも質量が存在し、半径が大きくなるにつれて軌道の内側に含まれる総質量が増え続けていなければなりません。そこで、目には見えない質量が銀河を広く包んでいると考えると、観測された回転速度を自然に説明できます。これが暗黒物質ハローという考え方の基本です。
見える物質だけなら、なぜ外側の回転は遅くなるはずなのか
円運動をしている天体の速度は、その軌道より内側にどれだけの質量があるかと関係します。単純化すると、半径をr、内側に含まれる質量をMとしたとき、回転速度vは「vの2乗がおおよそGM/rに比例する」という関係で考えられます。Gは重力定数です。
銀河の明るさだけを見ると、中心から離れるにつれて恒星の密度は下がり、あるところからは内側に含まれる「見える質量」がそれほど増えなくなります。Mがほぼ一定なのにrだけが大きくなれば、vは小さくなるはずです。太陽系で、太陽から遠い惑星ほど公転速度が遅いのと似た考え方です。
ところが銀河では、外側の星やガスが予想ほど遅くなりません。国立天文台も、銀河の外側へ行っても回転速度が保たれることから、軌道内に含まれる質量が外側まで増え続けている必要があると解説しています。つまり、星やガスとして見えている部分の外にも、重力を生み出す質量があると考えざるを得ないのです。
平坦な回転曲線は何を教えてくれるのか
銀河の中心からの距離と回転速度の関係を表したものが「回転曲線」です。暗黒物質の証拠として有名なのは、渦巻銀河の外縁部でも速度が大きく落ちないという特徴です。
回転速度がほぼ一定なら、先ほどの関係から、半径が大きくなるほど軌道内の総質量も増えていることになります。見える星の分布は外側で薄くなるのに、重力の効果は残っているため、見えない質量成分を加える必要があります。
この見えない成分を銀河の中心付近だけに置いても、外側の運動は説明できません。広い範囲に分布させる必要があるため、暗黒物質は銀河を取り囲む大きなハローとしてモデル化されます。ハローは一般に円盤よりも厚く、三次元的に広がった構造として扱われます。
ただし、すべての銀河の回転曲線がまったく同じ形をしているわけではありません。恒星やガスの量、銀河の大きさ、中心部の構造などによって違いがあります。暗黒物質ハローの密度分布も銀河ごとに同一ではありません。それでも、多数の銀河を通常の重力の枠内で説明するとき、広がった暗黒物質成分が必要になるという点が重要です。
暗黒物質は直接見えないのに、どうやって分布を調べるのか
暗黒物質は光をほとんど出さず、吸収や反射によって普通の物質のように簡単に観測することもできません。そのため天文学者は、暗黒物質そのものを見るのではなく、暗黒物質がつくる重力の効果を測ります。
代表的な方法の一つが銀河の回転速度です。星やガスのスペクトルを観測し、ドップラー効果から銀河のどの場所がどれくらいの速度で動いているかを調べます。そこから、観測された運動を生み出すために必要な質量分布を逆算できます。
もう一つの重要な方法が重力レンズです。手前に大きな質量があると、奥の銀河などから来た光の進路が重力によって曲げられます。光っている物質だけでは説明できないレンズ効果があれば、見えない質量を含めた総質量を推定できます。ESAのEuclid計画などは、この重力レンズを利用して暗黒物質の分布を広い範囲で測ろうとしています。
このように、回転曲線と重力レンズは測っている現象が違います。それでも両方が「見える物質だけでは重力が足りない」という方向を示すため、暗黒物質という考え方は単一の観測だけに依存しているわけではありません。
暗黒物質ハローの中で銀河はどのようにできるのか
暗黒物質ハローは、現在の銀河形成モデルでも中心的な役割を持ちます。標準的な冷たい暗黒物質を含む宇宙モデルでは、初期宇宙にあったわずかな密度の濃淡が重力によって成長し、暗黒物質が集まった領域が先に大きな重力の井戸をつくります。
通常の物質であるガスは、その重力の井戸に引き寄せられます。ガスは衝突したりエネルギーを放射したりできるため、冷えながら中心へ集まり、やがて星をつくります。回転を持つガスは円盤を形成しやすく、そこから渦巻銀河などが発達していきます。
つまり、暗黒物質ハローは「銀河の外に付け足された見えない材料」というより、銀河が形成され成長する重力的な土台として考えられています。NASAも、暗黒物質を、通常の物質が集まって星や銀河をつくる際の見えない足場として説明しています。
ただし、銀河の形や大きさが暗黒物質だけで決まるわけではありません。ガスの冷却、星形成、超新星爆発、中心ブラックホールからのエネルギー放出、銀河同士の合体など、多くの過程が銀河の構造を変えます。暗黒物質ハローは重要な土台ですが、銀河の見た目を一対一で決める単純な型ではありません。
「暗黒物質が銀河を接着している」と考えてよいのか
暗黒物質について「銀河がばらばらにならないように接着している」と表現されることがあります。初心者向けのイメージとしては分かりやすい一方、文字どおりの接着剤ではありません。
暗黒物質は、質量を持つことで重力場に寄与すると考えられています。その重力によって、星やガスが銀河の外側でも高速で運動できる軌道が成り立ちます。したがって正確には、「暗黒物質が直接星をつなぎ止める」のではなく、「暗黒物質を含む総質量がつくる重力場の中を星やガスが運動している」と理解する方がよいでしょう。
暗黒物質の正体まで分かっているわけではない
ここで重要なのは、暗黒物質ハローという構造を支持する観測が豊富にあっても、暗黒物質が何の粒子でできているのかは未解明だということです。
天文学では、星やガスの運動、重力レンズ、銀河団、宇宙の大規模構造などを通じて、見えない質量の存在と分布をかなり詳しく推定できます。しかし、暗黒物質粒子そのものを直接検出したという確立した結果はまだありません。したがって、「暗黒物質があると考えられる理由」と「暗黒物質の正体」は別の問題です。
また、銀河の回転曲線を別の重力理論で説明しようとする研究もあります。ただし現在の標準的な宇宙論では、銀河だけでなく銀河団や重力レンズ、宇宙の構造形成など複数の観測をまとめて説明する枠組みとして、暗黒物質を含むモデルが広く使われています。
初期宇宙の銀河でも暗黒物質ハローは調べられている
暗黒物質ハローは近くの銀河だけの話ではありません。Kavli IPMUなどの研究グループは、約130億光年離れた初期宇宙のクエーサー母銀河について、ガスの運動から回転曲線を調べ、ダークマターが大きな割合を占めることを示した研究を発表しています。
遠方銀河の観測は難しく、時代や銀河の種類によって暗黒物質と通常物質の割合がどう変わるかについては研究が続いています。それでも、現在の銀河だけでなく宇宙のかなり早い時期から、銀河と暗黒物質ハローの関係を検証できるようになってきました。
まとめ
銀河が暗黒物質のハローに包まれていると考えられているのは、銀河の外側の星やガスが、見える物質だけでは説明できない速さで運動しているからです。外側でも回転速度が高いままであることは、星の円盤より広い範囲まで総質量が増え続けていることを示します。
その見えない質量を三次元的に広がったハローとして考えると、回転曲線を説明しやすくなります。さらに重力レンズなど別の方法でも、見えない質量の分布を確かめることができます。
一方で、暗黒物質そのものの正体はまだ分かっていません。分かっているのは、光では見えない何らかの質量成分が重力を通じて銀河の運動や形成に大きく関わっている、ということです。銀河の暗黒物質ハローとは、その「見えない重力の分布」を表す重要な概念なのです。
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参考資料
- 国立天文台「ダークマター」
- Kavli IPMU「初期宇宙の銀河でもダークマターが優勢か」
- NASA Science「Dark Matter 101: Looking for the Missing Mass」
- ESA「The dark Universe」
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