すばる望遠鏡の探査が、宇宙の新しい物理を示唆

【2023年4月11日 すばる望遠鏡】

現代の宇宙論において標準とされる理論によれば、宇宙は約138億年前のビッグバンで誕生し、膨張を続けている。標準理論は、通常の物質とダークマターやダークエネルギーの存在比、宇宙初期に存在した物質の分布のゆらぎ具合を表すパラメーターなどからなるシンプルなものだが、多くの観測データを説明することに成功している。しかし、ビッグバンは本当にあったのか、ダークマターやダークエネルギーの正体は何なのかなど、同理論には多くの謎が残されている。

日本・台湾・米国の研究者からなる国際共同研究チームは、2014年から2021年にかけて、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ「ハイパー・シュプリーム・カム（HSC）」を用いて大規模撮像探査「すばる戦略枠プログラム」（HSC-SSP）を行ってきた。そのうち約3年間分、約420平方度（満月2000個分）の天域を観測したデータからダークマターの3次元分布が精密に求められ、宇宙の標準理論が検証された。

HSC-SSPで得られた画像の例（提供：HSC-SSPプロジェクト、国立天文台）

ダークマターは電磁波で直接観測することはできないが、その重力によって周囲に影響を及ぼしている。ダークマターが集中している領域を通った光は、レンズを通ったときのように曲がる「重力レンズ効果」を受けるので、この効果を詳しく調べることでダークマターの分布がわかる。そこで研究チームはHSC-SSPで得られた約2500万個の銀河の姿を分析し、そのゆがみ具合から、銀河と私たちとの間にあるダークマターの分布を調べた。

2018年にはHSC-SSPの最初の1年あまりの観測から得られたダークマターの分布が発表されている（参照：「かつてない広さと解像度のダークマター地図」）が、今回の結果はさらに広い天域を対象とした観測に基づくものだ。

HSC-SSPで得られたダークマターの3次元分布の例。HSCによる探査で最初の1年間のデータから得られた分布図。今回の研究では、この約3倍の広さの天域が調査された（提供：東京大学、国立天文台）

観測結果により示されるダークマターの分布からは、現在の宇宙における構造形成の進行度合いを表す物理量（S₈）が得られ、その値は0.76だった。一方、ヨーロッパ宇宙機関の宇宙背景放射観測衛星「プランク」による宇宙マイクロ波背景放射の観測結果からは、ビッグバン直後における密度のゆらぎが得られる。これを宇宙の標準理論と組み合わせると、S₈を理論的に得ることもできる。こちらの値は0.83で、2つの結果が一致していない。

このズレがHSCやプランクの測定誤差である確率は5%以下と見積もられている。つまり、2つの結果が本当に一致していない確率が95%以上もある。これは、プランクの結果からS₈を計算するときの前提となる標準理論にほころびがあることを示唆する。

実は、これまでにもHSC-SSPの初期観測データや欧米による重力レンズ効果測定プロジェクトにより、S₈がプランクで得られたものより小さくなってしまうことが繰り返し指摘されてきた。今回の研究は、すばる望遠鏡が取得した高精度の観測データに基づくものであり、研究者の先入観が結果に影響を及ぼさないよう、慎重な解析が行われている。それでもS₈不一致問題が存在することが確認された。

S₈の測定結果。上の4つはHSC-SSP のデータに対して異なる4つの手法を用いた結果。丸点が測定の中心値、エラーバーは統計誤差（統計誤差の中に真の値がある確率が68%の範囲）。プランクによる宇宙マイクロ波背景放射の観測と、欧米の研究チームによる重力レンズ効果の測定（Dark Energy SurveyとKilo-Degree Survey）から得られたS₈の値も示されている（提供：Kavli IPMU）

「S₈の不一致が起こる原因として、たとえば、ニュートリノ、あるいは時間進化するダークエネルギーが宇宙の構造形成に影響する可能性が考えられます。HSC-SSP の最終データを用いた解析や、すばる望遠鏡の次世代超広視野多天体分光器（PFS）による宇宙地図のデータで、S₈不一致問題が決着すると期待されています。S₈不一致が本当であれば、宇宙の新しい物理の大発見に繋がるかもしれません。今後の研究の進展にご期待ください」（東京大学 高田昌広さん）。