物質とは何でしょうか? それはあなたが考えるほど基本的なものではありません。

宇宙の 3 分の 1 弱、つまり約 31 パーセントは物質で構成されています。新しい計算によってその数字が裏付けられました。天体物理学者は長い間、実体のない何かが私たちの現実の大部分を構成していると信じてきました。では、物質とは正確には何でしょうか。

アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論の特徴の 1 つは、質量とエネルギーは切り離せないという点です。すべての質量には固有のエネルギーがあり、これがアインシュタインの有名な E=mc ²方程式の意味です。宇宙学者が宇宙の重さを量るとき、彼らは質量とエネルギーの両方を同時に測定しています。そして、その量の 31 パーセントは、目に見えるか見えないかにかかわらず、物質です。

この違いが鍵です。すべての物質が同じというわけではありません。実際、私たちが見たり触れたりできる物体を形成するのは、物質のごく一部です。宇宙には、はるかに奇妙な物質の例があふれています。

物質とは何でしょうか？

「物質」について考えるとき、私たちは目に見える物体、またはその基本的な構成要素である原子を思い浮かべるかもしれません。

原子に関する私たちの概念は、長年にわたって進化してきました。歴史上の思想家たちは、存在は基本的な構成要素に分けられるという漠然とした考えを持っていました。しかし、現代の原子の考えに似たものは、一般的にイギリスの化学者ジョン・ドルトンによるものだとされています。1808 年、彼は物質は分割できない粒子でできていると提唱しました。さまざまな基本物質、つまり元素は、さまざまな大きさ、質量、特性を持つ原子から生まれました。

ドルトンの図には 20 個の元素がありました。これらの元素を組み合わせると、より複雑な化合物が作られました。化学者ドミトリ・メンデレーエフが 1869 年に原始的な周期表を作成したとき、彼は 63 個の元素をリストしました。今日では 118 個の元素がカタログ化されています。

しかし、それがそんなに単純であればいいのだが。20世紀初頭から物理学者は、原子の中にもっと小さな構成要素が潜んでいることを知っていた。それは、負に帯電した電子が渦を巻いて、正に帯電した陽子と中性中性子でできた原子核である。また、各元素は、一定数の陽子を持つ原子に対応していることもわかっている。

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そして、それはまだそれほど単純ではありません。今世紀半ばまでに、物理学者は、陽子と中性子が実際にはクォークと呼ばれるさらに小さな粒子の組み合わせであることに気づきました。正確に言うと、陽子と中性子はどちらも 3 つのクォークを含み、物理学者はこれをバリオンと呼んでいます。そのため、陽子、中性子、およびそれらが形成する物質 (私たちの日常生活の材料) は、しばしば「バリオン物質」と呼ばれます。

空の奇妙な物質

私たちの日常の世界では、バリオン物質は通常、固体、液体、気体、プラズマの 4 つの状態のいずれかで存在します。

物質はそれほど単純ではありません。極限の状況下では、よりエキゾチックなさまざまな形態をとることがあります。十分に高い圧力では、物質は超臨界流体になり、液体と気体の両方の状態になります。十分に低い温度では、複数の原子が融合してボーズ・アインシュタイン凝縮体を形成します。これらの原子は一体となって、さまざまな奇妙な量子的な方法で動作します。

このようなエキゾチックな状態は、実験室に限ったことではありません。中性子星を見てみましょう。その不死の核は、超新星爆発を起こしてもブラックホールに崩壊するほどの質量はありません。その代わり、核が崩れ落ちると、強力な力が原子核を引き裂き、その破片を一緒に押しつぶします。その結果、本質的には中性子と陽子の巨大な球体ができあがり、陽子は電子を吸収して中性子になります。そして、その密度は非常に高くなります。中性子星のスプーン一杯の重さは、10億トンにもなります。

天の川銀河だけでも、潜在的に何億個もの中性子星がある。中性子星の中心深部では、圧力と温度が中性子をも引き裂くほど高いと一部の科学者は考えている。中性子は、中性子を形成するクォークを破壊する可能性がある。

物理学者は中性子星を研究して、これらの天体について、そして宇宙の始まりに何が起こったのかを解明しようとしています。私たちの周りにある物質は、常に存在していたわけではなく、ビッグバンの後に形成されたものです。原子が形成される前は、陽子と中性子が宇宙を単独で泳いでいました。さらに以前、陽子と中性子が存在する前は、すべてが過熱されたクォークのスラリーでした。

科学者は、何らかの方法で粒子加速器を使ってその状態を再現することができる。しかし、それはほんの一瞬で消えてしまう。非常に長寿命の中性子星とは比べものにならない。「基本的に永遠に存在する実験室があるのです」とサンディエゴ州立大学の物理学者フリドリン・ウェーバーは言う。

宇宙の壮大な計画における物質

過去数十年にわたり、天文学者は宇宙の基本的なパラメータを理解するためのいくつかの方法を開発してきました。宇宙の大規模構造を調べ、目に見える物質の密度の微妙な変動を特定することができます。物体の重力が通過する光をどのように曲げるかを観察することができます。

物質密度（宇宙に占める目に見える物質と目に見えない物質の割合）を測定する具体的な方法は、ビッグバンの宇宙マイクロ波背景放射を分析することだ。2009年から2013年にかけて、欧州宇宙機関のプランク観測所は残光を観測し、科学者にこれまでで最高の物質密度の計算値、31パーセントを与えた。

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最新の研究では、質量豊富度関係と呼ばれる別の手法が使用されており、基本的には銀河団を調べ、各銀河団に存在する銀河の数を数え、それを使用して各グループの質量を計算し、物質密度をリバースエンジニアリングする。この手法は新しいものではないが、これまでは未熟で洗練されていないものだった。

「私が知る限り、私たちが研究を行ったとき、質量と密度の関係を使ってプランクと非常によく一致する結果を得たのはこれが初めてです」とカリフォルニア大学リバーサイド校の天体物理学者で、天体物理学ジャーナルに掲載された論文の著者の一人であるジリアン・ウィルソンは言う。 9月13日。

しかし、それはそんなに単純ではないことを覚えておいてください。目に見えるのは、物質の約 15 パーセント、または宇宙の 3 パーセントとされるごく一部だけです。残りは暗黒物質であるとほとんどの科学者は考えています。暗黒物質が重力に残す波紋は検出できますが、直接観察することはできません。

その結果、暗黒物質が何なのかははっきりしません。科学者の中には、暗黒物質は簡単には見えない形のバリオン物質だと考える人もいます。たとえば、初期の宇宙で形成されたブラックホールかもしれません。暗黒物質は、私たちの身近な物質とほとんど相互作用しない粒子で構成されていると考える科学者もいます。これらの混合物だと考える科学者もいます。そして、少なくとも一部の科学者は、暗黒物質は存在しないと考えています。

もしそれが存在するなら、eROSITA、ルービン天文台、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡、ユークリッドなどの新世代の望遠鏡で観測できるかもしれない。これらの望遠鏡は、宇宙のこれまで以上に広い範囲をスキャンし、宇宙の歴史のさまざまな時期のより多様な銀河を観測できる。「これらの新しい調査は、宇宙全体（とその物質）に対する私たちの理解を変えるかもしれない」と、カリフォルニア大学リバーサイド校の天体物理学者で、論文の著者の一人であるモハメド・エル・ハシャシュ氏は言う。「これは私が個人的に期待していることです。」