「繊細な」暗黒物質が瞬間を迎える

目に見えない何かが宇宙を無傷に保っているのです。それは、すべての星、すべてのガス雲、すべての銀河など、目に見えるものすべてを 5 倍も上回ります。私たちはそれを暗黒物質と呼んでいますが、何十年もの間、それが行うことはただ 1 つ、つまり投げるという単純な標準的な仮定でした。

つまり、暗黒物質には、押しも衝突も化学作用もなく、ただ重力だけが関与しており、それが宇宙を結びつけるために静かに作用していると我々は考えています。

その仮定はますます不安定になっているように思えます。

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数週間以内に到着した最近の 3 つのプレプリント論文は、暗黒物質が沈黙の背景ではなく、宇宙物理学に積極的に関与している可能性を調査しています。ただ与えるのではなく、 フィーリング その重力によって、 触れる 他の相互作用を通じて物事が起こります。滑らかに不活性になるのではなく、その特性は場所に応じて変化する可能性があります。そして、かなり限られた範囲の可能性に従うのではなく（天文学者はずっと前に他の選択肢を排除したと考えていたため）、暗黒物質はこれまで考えられていたよりもはるかに豊富な兆候を持っている可能性があります。

これらの論文はいずれも検出を提供しません。暗黒物質については未だに謎が多いです。しかし、彼らが協力することで、私たちが本当に求めているものを再設計することができます。

衝突する暗黒物質

最も基本的な異端から始めましょう。暗黒物質と通常の物質は衝突する可能性があります。

あなたが触れたすべてのものを構成する陽子、中性子、電子などの普通の物質は、暗黒物質が無視すると思われる力によって支配されています。しかし、彼はそれを「おそらく」作っている バッチ その文の仕事の。暗黒物質と通常の物質との非重力相互作用は、たとえあったとしても最小限であるという観測結果は得られていますが（弾丸クラスターはその象徴的な例です）、暗黒物質が純粋に重力によるものであることを直接確認した実験はありません。慣性の仮定は、モデルを扱いやすくするために採用した簡略化です。それが真実かどうかは別の問題です。

ニューヨーク大学のコナー・ハインジェ氏とグレニーズ・R・ファラー氏は、その疑問を真剣に受け止めることに決めた。彼らの新しいシミュレーション手法は、天の川スケールの銀河内およびその周囲のバリオンと呼ばれる粒子、つまり主に陽子と中性子と暗黒物質との理論的な相互作用をモデル化しています。彼らは、暗黒物質粒子の質量が、それらが散乱する陽子や中性子に匹敵するか、それよりも軽いという状況に特に注目しました。それは、非重力物理学が興味深くなる領域であり、以前のシミュレーションではほとんど意味がなかった領域です。

その結果は驚くべきものでした。標準的なシミュレーションでは、銀河の目に見える物質（ガス、塵、星）は、琥珀の中に包まれた虫のように、はるかに大きな暗黒物質の「ハロー」の中に凍結されています。ハローは不変であると想定されます。二人はあまり話さない。

しかし、ハインジェとファラーのシミュレーションはコミュニケーションのチャネルを開きます。暗黒物質とバリオンの相互作用の速度を調整するだけで、ハローが内側から外側に再形成され、10億年未満で銀河の中心部の質量が再分配されます。 10億年は長いように思えますが、銀河系で言えばコーヒーブレイクのようなものです。そして、その再分布は重要です。これにより、銀河の中心で予測される暗黒物質の密度が望遠鏡で実際に見えるものとほぼ一致し、「核尖頭問題」と呼ばれる長年の頭痛の種が軽減されます。

嘘と統計

ここに別の憂慮すべき可能性があります。暗黒物質の相互作用に対して私たちが課した制約の一部は、少し時期尚早である可能性があります。

ビッグバンのかすかな光である宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) は、宇宙が誕生してから数十万年しか経っていなかった頃の状態を最も敏感に探るプローブです。もし、その初期の瞬間に暗黒物質が通常の物質に対して散乱していたとしたら、それは、CMBの温度と分極パターンの微妙な歪みという痕跡を残すことになるでしょう。 2009 年から 2013 年にかけて、欧州宇宙機関のプランク衛星はこれらのパターンを並外れた精度でマッピングし、CMB を分析するための標準データセットとして残るものを生成しました。物理学者はこのプランクのデータを利用して暗黒物質と陽子の散乱の上限を設定しましたが、その制限は厳しい、あるいは厳しすぎるように思えます。

テキサス大学オースティン校のマリア・C・ストレートとその同僚は、統計そのものにそのような誤った仮定の原因となる可能性があることを発見した。標準的なアプローチであるベイジアン分析と呼ばれる手法では、物理学者は、データが語る前に、答えがどこにあるのかについての最初の推測、つまり「事前」をエンコードする必要があります。通常は、良好なデータが以前の弱いデータを上回るため、これで問題ありません (むしろ望ましい)。しかし、追跡している信号が非常に小さい場合、データは非常に静かになるため、背景を識別するのは非常に困難になります。その沈黙の中で、分析は宇宙を測定することをやめ、代わりに単にあなたの最初の仮定をエコーすることによってあなたを欺くことができます。

その結果は、Straight のチームが「事前ボリューム効果」と呼ぶものであり、一見すると統計的に堅牢に見えるが、実際には数学的なアーチファクトである結論と制約です。言い換えれば、暗黒物質の場合、思ったほど多くの可能性を排除できていないのかもしれない。おそらく、私たちは自分自身の最初の偏見を強化しただけかもしれません。

チームの解決策: データが何を示しているかを尋ねる代わりに 与えられた 仮説を立てて、データが最良の状態で何を示しているかを尋ね、結論を引き出す前に信号にあらゆる利点を与えるようにモデルを最適化します。事前分布やスケールフィンガーは必要ありません。プランク CMB データに対してその分析を実行すると、適合された除外が滑らかになり始めます。制限はそれほど劇的なものではありません。しかし、彼らはおそらくもっと正直です。正式にはプロファイル尤度分析と呼ばれるこのアプローチが、CMB データからの暗黒物質と陽子の部分散乱に適用されたのはこれが初めてです。そしてその結果は現実です。私たちが除外されたと考えていた選択肢がまだ検討の対象となっている可能性があります。排除したと確信していたモデルが、推奨する統計的仮定の範囲外で待機している可能性があります。

銀河の消滅

そして最後に、もっと身近な話ですが、天の川銀河の中心、いわゆる銀河中心における暗黒物質の曖昧な役割は、長年物理学者を悩ませてきました。

NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡による観測により、銀河中心のほぼ付近から放出される拡散ガンマ線過剰が検出されました。この過剰は銀河中心ガンマ線過剰 (GCE) とよく呼ばれるほど十分に近いものです。過剰は現実です。議論はその起源に関するものです。説得力のある仮説は、高密度の中央ハロー内の暗黒物質粒子が相互作用して消滅し、ガンマ線としてエネルギーを放出しているというものです。

しかし、この考えには問題があります。暗黒物質が銀河中心で消滅しているのであれば、天の川銀河の小さな暗黒物質が豊富な衛星銀河の一部でも消滅しているはずです。これらの衛星銀河には、GCE の解釈を複雑にする天体物理学的ノイズがほとんどないため、私たちはガンマ線の過剰を非常に注意深く調べます。しかし、信号はそこにありません。

したがって、GCE は暗黒物質ではありませんし、暗黒物質が存在する場所に応じて異なる動作をするわけでもありません。

イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所のアッシャー・バーリン氏らは、後者を提案している。彼らの「dSphobic Dark Matter」モデルは、暗黒物質が小さな質量ギャップによって分離された 2 つの状態、つまり基底状態とわずかに重い励起状態で存在すると仮定しています。ガンマ線は、これら 2 つの状態にある粒子が互いに衝突して消滅する場合にのみ発生します。つまり、暗黒物質の一部は最初から励起状態にある必要があります。

銀河中心の高密度で混沌とした高速状態では、この励起がどのようにして起こるのかは簡単にわかります。暗黒物質の粒子は互いに散乱します。一部は励起状態に達し、消滅してガンマ線を生成します。プレスト！ GCEについてはすでに説明しました。

しかし、矮小銀河はより小さくて温度が低く、より希薄で動きの遅い物質を含んでいます。それらの衝突は穏やかすぎるため、暗黒物質は興奮せず、したがって消滅することができません。したがって、信号が存在しないのは、暗黒物質が存在しないためではなく、環境が異なり、銀河中心からガンマ線を生成するための前提条件が欠けているためです。

したがって、暗黒物質は、環境に応じて 2 つのまったく異なる観察可能な挙動を示す単一粒子の場合である可能性があります。突然、暗黒物質は、ほとんどの研究者が考えていたよりもはるかに宇宙の残りの部分から切り離されていないように見えます。繰り返しますが、これは検出には程遠いです。これを再調整の可能性と呼びましょう。これは、私たちが自問している疑問の微妙だが結果的な変化です。

最終的に暗黒物質と通常の物質を衝突させるシミュレーション。私たちの仮定を拡大することを積極的に阻止しようとする統計ツール。このモデルでは、同じ暗黒物質粒子がある銀河では騒がしく、別の銀河では沈黙する可能性があります。それぞれの発展は、単独で見れば漸進的です。これらを総合すると、冷たい、重力のみのファントムとしての暗黒物質の実際のイメージは決して有用な単純化に過ぎず、宇宙にはそれを尊重する義務はなかったことが示唆される。