数十年にわたり、天文学者たちは困惑する問題に直面してきた。宇宙のすべての通常物質の約半分が行方不明になっているように見えたのだ。宇宙の質量の大部分を占める謎の暗黒物質とは異なり、この行方不明の物質は星や惑星、そして人間を構成する通常の物質だった。科学者たちはそれがどこかに存在しているはずだと知っていたが、あまりにも拡散しており、かすかすぎて直接検出することができなかった。
宇宙における物質分布
- 銀河間物質：通常物質の76%
- 銀河ハロー：通常物質の15%
- 銀河内部：残り9%（恒星と低温ガス）
- 通常物質の総計：宇宙全体の物質のわずか16%
- ダークマター：全物質の84%（未解明のまま）
画期的な検出方法がすべてを変える
Caltech と Harvard の研究チームが、予想外のツールを使ってこの宇宙の謎を解決した。それは高速電波バースト（ FRB ）である。遠方の銀河からのこれらの短時間で信じられないほど明るい電波の閃光は、宇宙の灯台のような役割を果たし、それらと地球の間に存在する見えない物質を照らし出す。これらのバーストからの電波が宇宙空間を移動する際、経路上の粒子と相互作用し、光がさまざまな波長に広がる現象を引き起こす。これはプリズムが太陽光を虹に分解するのと非常に似ている。
この発見に関するコミュニティでの議論は、多くの人が最初に見落とした重要な区別を浮き彫りにしている。この研究は具体的に通常物質を扱っており、物理学の最大の未解決の謎の一つである暗黒物質ではない。
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| 宇宙全体で高速電波バーストによって照らされた通常物質の複雑なパターンを示す鮮やかな宇宙シミュレーション |
大規模調査が物質の真の分布を明らかに
研究チームは69個の正確に位置が特定された FRB を分析し、その距離は約1,174万光年から91億光年の範囲に及んだ。最も遠いバーストである FRB 20230521B は、現在これまでに検出された最も遠い FRB の記録を保持している。これらのバーストの多くは Deep Synoptic Array-110 を使用して捕捉された。これは、これらの宇宙の閃光を追跡し、正確に位置を特定するために特別に設計された110台の電波望遠鏡のネットワークである。
結果は、通常物質の76パーセントが銀河間の広大な空間に存在し、15パーセントのみが銀河ハローに、残りが銀河自体の内部に集中していることを示している。この分布はコンピューターシミュレーションが予測していたものと一致するが、今回まで直接観測されたことはなかった。
高速電波バースト（ FRB ）：遠方の銀河からの極めて短時間だが強力な電波バーストで、数ミリ秒しか続かないが膨大な量のエネルギーを放出する。
研究の規模と範囲
- 分析された FRB の総数：69個のバースト
- 距離範囲：1,174万光年から91億光年
- 記録保持者： FRB 20230521B （91億光年で最も遠い FRB ）
- 検出源： DSA-110 から39個、世界の望遠鏡から30個
行方不明物質を超えて：新たな研究フロンティアの開拓
この発見は単に行方不明物質のパズルを解決する以上の意味を持つ。この技術は宇宙の構造を研究する新しい方法を開き、ニュートリノの質量を決定するのに役立つ可能性がある。ニュートリノは理論上は質量がないはずだが、観測では実際に重さを持つことが示されている微小な粒子である。ニュートリノの質量を理解することは、現在のモデルを超えた新しい物理学につながる可能性がある。
この方法の成功は、エキサイティングな未来を示している。 Caltech が計画している DSA-2000 望遠鏡アレイは、年間最大10,000個の FRB を発見し位置を特定することができ、宇宙の隠された物質をマッピングし、その最も深い謎を探査する能力を劇的に拡大するだろう。