70億光年彼方の超銀河団が解き明かす、ダークマターの正体
70億光年の彼方に、宇宙論の標準モデルに対する疑問を投げかける存在がある。El Gordo（スペイン語で「太った」という意味）と呼ばれる超銀河団だ。2つの領域が衝突する過程にあり、合計質量は太陽の2京倍以上に達する。問題は、宇宙の初期段階にしては異常に巨大なことである。宇宙のインフレーション理論と冷たいダークマターの観点からすれば、このような大規模な超銀河団がこれほど急速に形成されることは説明しがたい。
この謎に対して、自己相互作用するダークマター（Self-Interacting Dark Matter、SIDM）の可能性に着目した新しい研究が登場した。研究では、2つの状態を持つダークマター相互作用モデルがEl Gordoの観測データに最も適合することが示されている。
通常の物質と異なるダークマターの性質
ダークマターは宇宙の質量の大部分を占めるが、光とほぼ相互作用しない。このため通常の物質とも電磁力を介した相互作用を起こしにくい。重要な問題は、ダークマター粒子同士が強く相互作用できるかどうかという点である。従来の見方では、ダークマターは自己相互作用しないと考えられてきた。観測結果から、ダークマターは冷たい状態、つまり粒子の運動エネルギーが小さいことが知られているためだ。もし粒子同士が衝突すれば、通常の物質と同じく温度が上がってしまう。
SIDMモデルはEl Gordoのような初期の超銀河団を形成可能だが、その代わり大量の温かいダークマターが生成されてしまう。この矛盾を解決するため、研究者は2状態ダークマター相互作用モデルを提案した。
弾性衝突と非弾性衝突の共存
提案されたモデルでは、ダークマター粒子は基底状態と励起状態の2つの状態を持つ。大部分の相互作用は弾性的（エネルギーをほとんど失わない）で、通常の物質と同じ性質を示す。しかし適切なエネルギーを持つ衝突では、粒子が励起状態へ遷移し、衝突から運動エネルギーを取り除く。その結果、ダークマター粒子は同時に集合し、冷却される。
El Gordoの衝突領域をコンピュータシミュレーションで解析したところ、弾性と非弾性の両方の衝突を含む2状態SIDMモデルが観測結果に最も適合した。相互作用しないダークマターや弾性衝突のみのモデルよりも優れた一致を示している。
ただし、El Gordo自体の正確な質量と衝突速度について依然として不確実性が残っている。超銀河団の質量が推定範囲の下限にあれば、2状態モデルはデータと合致しない可能性もある。ダークマター粒子を直接観測できない現在、様々な可能性がなお検討の対象である。今回の研究は、ダークマターが従来想定されてきたより複雑な性質を持つ可能性を示唆している。
出典: Universe Today
