ユークリッド宇宙望遠鏡が数十億の銀河で暗黒物質とエネルギーの探索を開始

これは爽快でもあり、また冷静な考えでもあります。宇宙で私たちが見たり測定したりできるすべての惑星、銀河、星の光、その他の物体は、存在のわずか 5 パーセントを占めるに過ぎません。残りの 95 パーセントは、暗黒物質と暗黒エネルギーという 2 つの謎に飲み込まれています。科学者には、暗黒物質と暗黒エネルギーは周囲の宇宙に明らかな重力効果をもたらすことで知られていますが、直接検出することはできません。

しかし、7月1日、欧州宇宙機関の新しいミッションは、科学者が暗黒物質と暗黒エネルギーという2つの謎の解明に少し近づくのに役立つかもしれない。ユークリッド宇宙望遠鏡は、東部夏時間午前11時11分までにケープカナベラル宇宙軍基地からスペースXファルコン9ロケットに搭載されて打ち上げられる。NASAは午前10時30分から打ち上げの様子をライブ配信する。

打ち上げ後、ユークリッドは約 30 日かけて、ラグランジュ ポイント 2 (L2) の周囲を周回する運用軌道に到達します。L2 は太陽系外縁部に向かって 100 万マイル離れた領域で、ユークリッドはここで地球に対して一定の位置を維持できます。ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡も L2 を周回しています。

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ユークリッドは、設置場所に到着して運用を開始すると、6年間の予定のミッションを開始します。このミッションでは、空の約3分の1を調査し、最大100億光年離れた数十億の銀河の形状を注意深く測定して、暗黒物質と暗黒エネルギーが宇宙をどのように形作っているかを垣間見ます。そのために、約4,600ポンドの宇宙望遠鏡は、幅4フィートの主鏡を使用して、可視光と近赤外線の波長の光を収集し、2つの機器、つまり可視機器カメラと近赤外線分光計と光度計に焦点を合わせます。これらは、遠く離れた銀河までの距離を決定するのに役立ちます。

「ユークリッドが測定できる銀河の数とその精度のすばらしさは、まさに人間工学の驚異的な偉業です」と、MITの物理学教授で、暗黒物質検出の実験を設計しているが、このミッションには直接関わっていないリンドリー・ウィンスロー氏は言う。「精密な宇宙論ができるという事実は素晴らしいことです。」

宇宙の形成、進化、構造を研究する宇宙学者は、すべてのものがなぜ今のような状態なのかを説明できるかもしれない、ラムダ CDM と呼ばれるモデルを持っています。ラムダは宇宙定数で、宇宙を加速的に膨張させていると思われる力であり、科学者はそれが謎の暗黒エネルギーと関連しているか、その形で現れていると考えています。CDM は「冷たい暗黒物質」の略で、通常の物質と重力的に相互作用します。

「これらが、我々が知る宇宙を形作った2つの要素です」とウィンスロー氏は言う。暗黒エネルギーは宇宙の膨張を推進し、「初期の宇宙では、この冷たい暗黒物質が、現在我々が見ている目に見える物質をポテンシャル井戸に引き込み、それが収縮して銀河や星を形成することを可能にしたのです」

ウィンスロー氏によると、ラムダCDMは大規模宇宙の多くの部分を解釈するのに役立つが、小規模宇宙の仕組みを説明する理論、つまり素粒子物理学の標準モデルとどのように適合するかは教えてくれない。ユークリッドは、宇宙がどのように膨張するかについてさらに学び、ラムダCDMを改訂するいくつかの試みのうちの1つである。

「私たちが本当に興味を持っているのは、より多くのデータを取得できるかどうかです」とウィンスロー氏は言います。「そして、ラムダCDMでは説明できない何かを見つけられるでしょうか？」

その証拠を探すために、ユークリッドは弱い重力レンズ効果と呼ばれる技術を使用します。これは、銀河団などの前景オブジェクトの質量を使用して、より遠くの背景オブジェクトを拡大する、JWST で使用されている強い重力レンズ効果の技術に似ています。弱い重力レンズ効果では、科学者は暗黒物質を含む前景オブジェクトの質量が背景の銀河の形状に微妙な歪みを生み出す方法にもっと興味を持っています。

「私たちは背景の銀河を使って、前景の物質分布について学んでいます」と、何千人もの科学者やエンジニアのグループであるユークリッドコンソーシアムの米国支部のメンバーであるカーネギーメロン大学の天体物理学者レイチェル・マンデルバウムは言う。「私たちは、独特の形状の銀河と私たちとの間にあるすべての物質の影響を測定しようとしています。」

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この方法はダークエネルギーの影響を測定するのにも役立つだろうとマンデルバウム氏は付け加える。ダークマターは他のあらゆる形態の物質が凝集するのを助け、ダークエネルギーはダークマターの重力効果を打ち消すので、地球からの距離の範囲で物質がどの程度凝集しているかを測定することで、「宇宙構造がどのように成長しているかを測定し、それを使ってダークエネルギーが物質分布に与える影響を推測することができます。」

ユークリッドは、弱い重力レンズ効果を利用して暗黒物質と暗黒エネルギーの兆候を探す初めての大規模な天体調査ではないが、軌道上でのこの種の調査としては初めてのものとなる。マンデルバウム氏によると、ダークエネルギー調査などのこれまでの研究はすべて地上の望遠鏡で行われてきた。宇宙にいることで、別の利点が得られる。

「地上の望遠鏡では、地球の大気が遠くの星や銀河の光に及ぼす影響により、宇宙の望遠鏡よりもぼやけた画像が見える」とマンデルバウム氏は言う。ユークリッドの L2 からの眺めは、「銀河の形状のこうした非常に微妙な歪みを測定しようとするとき」に役立つだろう。

しかし、暗黒物質と暗黒エネルギーは解明が難しい謎であり、科学者はできる限り多くの角度から収集できるすべてのデータを利用することができる。現在チリで建設中で、2025年にオープン予定のベラ・ルビン天文台は、地上の宇宙と時間のレガシー・サーベイをホストし、同様の現象がないか南の空全体をスキャンする。マンデルバウム氏によると、このような取り組みは、ユークリッドの発見の再現性を保証するのに役立つだろうし、その逆もまた同じだという。

「ユークリッドは、同じ科学に到達しようとしているが、異なる仮定に基づく非常に異なるデータセットを使用する、より広範な調査の領域における、本当にエキサイティングな実験です」と彼女は言います。「彼らは、宇宙に関するこれらの非常に基本的な疑問に答えるための異なるアプローチを与える、多少異なることを行う予定です。」