宇宙全体を満たすものの内訳を調べていくと、ある地点でかなり困ったことになる。
普通の物質、つまり原子でできたもの——星も、銀河も、地球も、あなたも、その全部——がいったい宇宙の何%を占めているか、という話だ。答えは約5%。残りの95%は、今の物理学では正体がわからない「見えない何か」でできている。
正直、これを初めて知ったとき、ちょっと笑えなかった。5%ってなんだ。宇宙の自分語り、ほとんど嘘じゃないか。
宇宙の成分表、という奇妙な概念
宇宙全体にどういうものがどのくらいあるか、現代の宇宙論はこれをかなりの精度で測定している。結論から言えば、こうだ。
- 通常物質（バリオン）：約5%
- ダークマター（暗黒物質）：約27%
- ダークエネルギー（暗黒エネルギー）：約68%
この数字は、宇宙背景放射（CMB）の観測や銀河の分布などから導き出された、現時点で最も信頼性の高い推定値だ。ダークマターとダークエネルギーを合わせると95%。残りの5%が私たちの知っている全てだ。
「ダーク」という名前には、「暗い」という意味だけでなく「わからない」という意味合いも込められている。光を発しないから見えないのか、それとも光と全く相互作用しないから根本的に観測できないのか。どちらにしても、現在の検出器ではつかまえられていない。
ダークマター：重さはあるのに見えない
銀河の話から始めよう。
銀河は、中心部が一番明るく、外に行くほど星が少なくなる。だから直感的には、銀河の外縁部ほどゆっくり回転するはずだ。太陽系で言えば、太陽から遠い惑星ほど公転速度が遅いのと同じ理屈だ。
ところが、1970年代にアメリカの天文学者ヴェラ・ルービンが銀河の回転速度を詳しく測定してみると、全然そうなっていなかった。銀河の外縁部でも、回転速度がほとんど落ちない。フラットなまま、ずっと続く。
これは物理的に奇妙だ。速度が落ちないということは、外縁部にも「引っ張る重さ」があるということ。でも、そこには光る星がほとんどない。見えない何かが、銀河全体を球状に取り囲んで重力を与えている——それが「ダークマターのハロー」という考え方だ。
当初、ルービンの発見を信じない科学者は多かった。測定ミスだ、データの解釈が間違っている、と。でも他の銀河でも、他の手法でも、同じ結果が出続けた。見えない質量は実在する、という結論が固まっていった。
さらに強力な証拠が「重力レンズ効果」だ。アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力は空間自体を歪める。重力が大きいほど、そこを通る光の経路が曲がる。ダークマターの塊があれば、たとえ光を発していなくても、背景の銀河から来る光を曲げる。その「歪み方」を解析することで、見えない質量の分布が浮かび上がる。
ダークマターの正体候補はいくつかある。超対称性粒子（WIMPと呼ばれる仮想粒子）、アクシオンという非常に軽い粒子、あるいは原始ブラックホールといった考えもある。ただ、どれも決定的な証拠はまだない。世界中の研究者が地下深くに検出器を設置し、ダークマター粒子が地球を通り抜ける瞬間をずっと待っている。
今のところ、何も捕まっていない。
ダークエネルギー：宇宙を押し広げる反重力
もう一方の謎、ダークエネルギーの話は、1998年に遡る。
宇宙は膨張している。それはハッブルが1929年に確認して以来、定説だった。ビッグバンの余波が宇宙を膨らませ続けている。問題は「その膨張は少しずつ減速しているはずだ」という予測だった。物質同士が引力で引き合うのだから、やがてブレーキがかかる——そう思われていた。
ところが1998年、超新星を観測していた2つの研究チームが、それぞれ独立に同じ結論に達した。宇宙は減速していない。加速膨張している。
遠くの銀河は予測より遠く、予測より速く遠ざかっていた。何かが宇宙を外向きに押し広げている。その何かが「ダークエネルギー」と名付けられた。
この発見は2011年にノーベル物理学賞に輝いた。それだけ衝撃的な発見だった。
ダークエネルギーの正体について最も有力な候補は「宇宙定数」だ。アインシュタインが相対性理論の方程式に追加した定数で、真空のエネルギーとして解釈できる。真空にはエネルギーがあり、そのエネルギーが宇宙全体に均等に満ちて、外向きに押す力を生んでいるという考えだ。
ただ、問題がある。理論的に予測される真空エネルギーの値と、観測されるダークエネルギーの量とが、ひどく合わない。ざっと120桁ほど違う。物理学史上最悪の予測精度だと言われる。つまり、宇宙定数というラベルを貼っても、なぜその値になるのかが全く説明できていない。
一方で「ダークエネルギーは定数じゃなく、時間とともに変化する場（クインテッセンスと呼ばれる）かもしれない」という説もある。もしそうなら、宇宙の運命も変わってくる。
「見えない宇宙」を解明するために望遠鏡が生まれた
2026年、NASAはNancy Grace Roman宇宙望遠鏡を打ち上げる。
この望遠鏡は、ハッブルと同じ2.4メートルの主鏡を持ちながら、視野がハッブルの約100倍広い。1回の観測で見渡せる空の範囲がまったく違う。5年間の運用で10億個以上の銀河を観測し、そのデータからダークマターの分布図とダークエネルギーの変化の歴史を精密に描き出す計画だ。
Roman が使う主な手法は2つある。
ひとつは「弱重力レンズ」の大規模調査だ。何億個もの銀河の形が微妙に歪んでいるパターンを統計的に解析することで、前景にあるダークマターの分布を逆算する。個々の銀河を詳しく見るのではなく、「まとめて統計」で地図を作るアプローチだ。
もうひとつは「Ia型超新星」の観測だ。Ia型超新星はどれも同じ明るさで爆発するため、宇宙における距離の物差しとして使える。これを時代ごとに測定することで、宇宙が各時代にどれだけ速く膨張していたか——つまりダークエネルギーの強さがどう変化してきたか——がわかる。
ESAのユークリッド望遠鏡（2023年打ち上げ済み）もこれに並行して観測を進めており、Roman と合わせた解析が今後の宇宙論を大きく動かすとされている。
わからないままでいることの、居心地の悪さ
率直に言って、ダークマターもダークエネルギーも「謎に名前をつけただけ」の状態に近い。何かが銀河の外縁部を引っ張っているからダークマターと呼ぶ。何かが宇宙を加速膨張させているからダークエネルギーと呼ぶ。名前があると、なんとなくわかった気になれる。でも実際には粒子の名前さえ確定していない。
これは宇宙論の失敗ではない。むしろ正直さだ。「わからないことを、わからないと言う」という科学の最も基本的な誠実さが、ここに出ている。
宇宙の95%を構成する2種類の謎は、それぞれ独立していて、互いに直接関係していない可能性もある。まったく別の問題が、たまたま同時期に天文学者を悩ませているだけかもしれない。あるいは、まだ発見されていない何か根本的な理論が、両方を一気に説明してくれるかもしれない。
5%の宇宙を観測しながら、残り95%を推定する。まあ、宇宙の地図としては相当ひどい出来だ。でも逆に言えば、あと95%のことがわかったとき、どれだけ世界の見え方が変わるかという話でもある。
ちょっと楽しみじゃないか。
参考資料: NASA Roman Space Telescope公式サイト / 国立天文台NAOJニュース
