宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物

2018年8月3日

第27回公開セミナー「天文学の最前線」

名古屋大学

田島 宏康

名古屋大学宇宙地球環境研究所

宇宙ガンマ線観測で解き明かす

暗黒物質の正体

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

あらすじ

✤

暗黒物質とは?

❖

目に見えない暗黒物質の存在をどのようにつきとめたか? 

❖

暗黒物質の存在は、今の宇宙にどのような影響を与えたか?

✤

正体がわからない暗黒物質をどのように探すのか?

❖

ガンマ線観測による暗黒物質の探査

2

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質とは?

✤

我々の宇宙は、我々の知らない「もの」で満たされている

❖

暗黒エネルギー

• 宇宙の膨張の加速 (本来は重力で減速)

❖

暗黒物質

• 宇宙の大規模構造の形成や運動に寄与

❖

普通の物質

• 陽子・中性子・電子から構成

• 星など目に見えるのはその10%程度

• 残りは星間ガス

3

暗黒エネルギー

72%

普通の物質

5%

暗黒物質

23%

かみのけ座銀河団

~1°

可視光画像

X線画像

太陽質量の測定

✤

太陽の質量は、太陽に束縛されて運動する惑星の速度と距離から測

定可能

❖

惑星の質量には依存しない

mv

2

r

=

GmM (r)

r

2

v =

GM (r)

r

Matthew Newby, Milkyway@home

公転速度

(k

m

/s

)

公転半径 (AU)

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

見えないブラックホール質量の測定

✤

回転速度と距離の関係を使って、目に見えないブラックホールの質

量を測定することも可能

❖

我々の銀河系の中心にあるブラックホールの例 (太陽の400万倍の質量)

5

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

暗黒物質を示唆する最初の証拠

✤

かみのけ座銀河団の質量推定 (by Fritz Zwicky、1933年代)

❖

平衡状態の多体系における系全体の質量と個々の速度のばらつきの関係

(ビリアルの定理)

❖

速度のばらつきから推定される質量が銀河の質量の和の100倍以上

(当時)

6

Mark Whittle, University of Virginia

Department of Astronomy

Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質を示唆するより確実な証拠

✤

アンドロメダ銀河における半径と回転速度の関係

❖

銀河の外側での速度が観測可能な物質から期待される速度より大きい

❖

球状に広がる観測できない物質

を仮定すると説明可能

✤

我々の銀河や他の渦巻き銀河でも似た傾向を観測

7

Stefania.deluca

M33

暗黒物質を示唆するより確実な証拠

✤

アンドロメダ銀河における半径と回転速度の関係

❖

銀河の外側での速度が観測可能な物質から期待される速度より大きい

❖

球状に広がる観測できない物質

を仮定すると説明可能

✤

我々の銀河や他の渦巻き銀河でも似た傾向を観測

中心からの距離 (kpc)

回転速度

(k

m

/s

)

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

修正ニュートン力学

✤

ニュートンの運動方程式を以下のように修正すると、未知の物質が

なくても銀河の回転速度が説明可能となる

8

Physics World

Stacy McGaugh

F = ma

! F = ma

1

1 +

a

0

a

or F = ma

s

1

1 +

a

0

a

2

<latexit sha1_base64="Uu+Vrocy0rAA2gPmNA+HZI+2RYQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="Uu+Vrocy0rAA2gPmNA+HZI+2RYQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="Uu+Vrocy0rAA2gPmNA+HZI+2RYQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="Uu+Vrocy0rAA2gPmNA+HZI+2RYQ=">AAACWHicbVFda9swFJXd9Mtd27R73ItYGHQUgl0KLZRCoVD22MHSBuI0XCtyIipZrnRdCMJ/crCH7a/sZXKShybdBcHRuedwdY+yUgqLcfw7CDdam1vbO7vR3of9g8P20fGD1ZVhvMe01KafgeVSFLyHAiXvl4aDyiR/zJ5vm/7jKzdW6OIHzko+VDApRC4YoKdGbX1Hr6mC9CpFnV7dXXuYG2AuqV1yuoAwimsHde01CnBqlNPGX6K52L4YdG8tkud4smJMjZhM8evTWV1H0ajdibvxvOh7kCxBhyzrftT+mY41qxQvkEmwdpDEJQ4dGBRM8jpKK8tLYM8w4QMPC1DcDt08mJp+8cyY5tr4UyCds28dDpS1M5V5ZbOaXe815P96gwrzy6ETRVkhL9hiUF5Jipo2KdOxMJyhnHkAzAj/Vsqm4ENB/xdNCMn6yu/Bw1k3ibvJ9/POzfkyjh3yiXwmJyQhF+SGfCP3pEcY+UX+Bq1gM/gTknA73F1Iw2Dp+UhWKjz+BwmDs38=</latexit>

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

暗黒物質の可視化

✤

一般相対論によると光は重力によって曲げられる

❖

通常の星の質量では曲がり方は微少

❖

銀河団の質量はとてつもなく大きいため重力効果も大きい

• 気楼のように本来の位置とは異なる場所から光が到達しているように見える

✤

重力レンズ効果を利用して暗黒物質を可視化

9

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質が存在する決定的な証拠

✤

銀河団がすれ違った時に暗黒物質がすり抜けた様子

❖

修正ニュートン力学では説明不可能

10

銀河団の可視光画像

Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

暗黒物質が存在する決定的な証拠

✤

銀河団がすれ違った時に暗黒物質がすり抜けた様子

❖

修正ニュートン力学では説明不可能

銀河団の可視光画像

銀河団の質量分布

Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質が存在する決定的な証拠

✤

銀河団がすれ違った時に暗黒物質がすり抜けた様子

❖

修正ニュートン力学では説明不可能

10

銀河団の可視光画像

銀河団のX線画像(高温プラズマの分布)

Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

暗黒物質が存在する決定的な証拠

✤

銀河団がすれ違った時に暗黒物質がすり抜けた様子

❖

修正ニュートン力学では説明不可能

10

銀河団の可視光画像

Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質が存在する決定的な証拠

✤

銀河団がすれ違った時に暗黒物質がすり抜けた様子

❖

修正ニュートン力学では説明不可能

10

銀河団の可視光画像

Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al.

Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al.

X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.;

Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al.

ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF,

Milano, Italy)/CFHTLS

X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California,

Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University)

暗黒物質が宇宙に与えた影響

✤

初期宇宙は非常に平坦であったが暗黒物質が小さな揺らぎを成長さ

せることで宇宙の構造を形成

ESA and the Planck Collaboration

Gerard Lemson & the Virgo Consortium,

with data from SDSS, 2dFGRS

and the Millennium Simulation

https://www.youtube.com/watch?v=8UzVi8MJolo

観測した銀河の分布

暗黒物質を含む

シミュレーション

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質の正体に関するヒント

✤

暗黒物質は電波や光では「見えない」(反応しない)

✤

宇宙のかなり初期から存在していた (見えない星では説明できない)

✤

暗黒物質の重さは陽子程度かそれより重い

12

ITC @ University of Zurich

暗黒物質の質量がニュートリノ

程度の場合

暗黒物質の質量が電子の100分の1

程度の場合

暗黒物質の質量が陽子程度の場合

初期宇宙

現在

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

暗黒物質の正体をつきとめる方法

✤

暗黒物質が、陽子より重い未知の素粒子の場合、正体をつきとめる

方法が主として3つ存在

❖

暗黒物質を加速器で生成して観測 (CERNの加速器が最高エネルギー)

•

陽子の400倍くらいまで重さの暗黒物質はなさそう

であることが判明

❖

暗黒物質が原子核に衝突したときに発生する信号を検出

❖

暗黒物質同士が衝突して生成される素粒子を観測

13

Matevz Tadel, UC San Diego/CMS

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質と原子核の散乱観測

✤

暗黒物質が原子核に衝突したときに発生する信号を検出

✤

宇宙線や放射性物質によって紛らわしい事象が発生

❖

地下深くで実験をすることで宇宙線の影響を少なくする

❖

不純物を極力減らした検出器を使用

14

Queiroz, Farinaldo S. arXiv:1605.08788

_{R.G.H. Robertson}

電子

原子核

暗黒物質

神岡

深さ (メートル、水相当)

宇宙線強度

(年・平米あたり

)

地下実験による暗黒物質の直接探査の将来

✤

1トンの検出器で一年間観測しても検出できず

✤

今後さらに大きな検出器での検出を目指す

❖

名古屋大学宇宙地球環境研究所のグループも参加

現在

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

暗黒物質同士が衝突して生成される素粒子を観測

✤

暗黒物質同士が衝突・消滅して生成された素粒子

❖

高エネルギーガンマ線、陽電子、反陽子を発生

16

www.theastronomist.com

暗黒物質

ガンマ線

陽電子

反陽子

クォーク

レプトン

ボソン

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

ガンマ線とは?

✤

光（電磁波）の一種

❖

短い波長 (原子核の大きさ程度)

❖

高いエネルギー (可視光の10万倍倍以上)

✤

大気と反応して吸収されてしまい、地上には到達しない

17

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

銀河系周辺での暗黒物質によるガンマ線信号

銀河中心:

高密度の暗黒物質により最も高い信号強度

ガンマ線天体や拡散ガンマ線放射の混入

衛星銀河 (矮小楕円銀河):

低い信号強度

ガンマ線天体や拡散ガンマ線放射の

混入はほとんどなし

銀河ハロー:

比較的高密度の暗黒物質による

高い信号強度

拡散ガンマ線放射の混入

18

ガンマ線観測装置

✤

人工衛星: フェルミ衛星

❖

ガンマ線が大気に吸収される前に直接観測する

❖

陽子の数百倍程度までの暗黒物質を観測可能

❖

観測面積に制限がある

• 重さ：3トン

• 寸法：1.5 m (幅) x 0.6 m (高)

• 消費電力：650ワット

❖

アメリカ、日本、イタリア、スウェーデン、

フランス、ドイツで共同開発

❖

760億円の費用

✤

地上望遠鏡

❖

ガンマ線が大気と反応して放射する「チェレンコフ光」を望遠鏡で観測

❖

広い面積で観測可能

❖

陽子の数百倍程度から数千倍程度までの暗黒物質を観測可能

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

ガンマ線観測衛星

✤

フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡（フェルミ衛星）

20

Credit: NASA

Movie Credit: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

世界の地上ガンマ線望遠鏡

PACT

GRAPES

21

Credit: NASA Earth Observatory/NOAA NGDC

H.E.S.S.

VERTAS

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

ガンマ線で見た天の川銀河

22

天の川銀河を上から見た想像図

ガンマ線で見た天の川銀河

天の川銀河を上から見た想像図

ガンマ線の強度分布

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

ガンマ線で見た天の川銀河

22

天の川銀河を上から見た想像図

ガンマ線の強度分布

暗黒物質の衝突から期待される

ガンマ線の強度分布

✤

マゼラン雲の他にも多くの小さな楕円銀河(矮小楕円銀河)が存在

❖

矮小楕円銀河は、暗黒物質の存在比が大きいことが知られている

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

天の川銀河系近傍の様子

23

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

フェルミ衛星による暗黒物質の信号探査

✤

15個の有望な矮小楕円銀河で暗黒物質衝突によるガンマ線信号を探す

❖

距離、暗黒物質の存在比

24

UMi

Leo IV

Her

Sex

Seg 1

UMa I

Dra

Com

Leo I

CMa

Wil 1

For

Sgr

Scl

CVn II

Seg 2

Car

Boo II

Leo II

Psc II

Boo III

CVn I

UMa II

Leo V

Boo I

フェルミ衛星による暗黒物質の信号探査

✤

15個の有望な矮小楕円銀河で暗黒物質衝突によるガンマ線信号を探す

❖

距離、暗黒物質の存在比

✤

銀河中心付近は暗黒物質密度(=ガンマ線強度)が高い

❖

拡散ガンマ線はTeVエネルギー領域で急激に減少

❖

銀河面は既知のガンマ線源が存在するので回避

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

地上ガンマ線望遠鏡による暗黒物質探査

25

H.E.S.S., Nature 439 (2006) 695

Jennifer M. Gaskins

✤

フェルミ衛星、地上ガンマ線望遠鏡(H.E.S.S.)の観測では、暗黒物質

に起因するガンマ線信号は検出できなかった

❖

暗黒物質の衝突しやすい方がガンマ線信号は検出しやすくなる

❖

暗黒物質の衝突しやすさに対する感度が期待値よりよい領域の質量(陽子の

100倍程度までの領域)をもつ暗黒物質が存在する可能性は低い

✤

現状では、地上ガンマ線観測装置の感度は不十分

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

ガンマ線観測による暗黒物質探査の結果

26

10

1

₁₀

2

₁₀

3

₁₀

4

DM Mass (GeV/c

2

₎

10

−27

10

−26

10

−25

10

−24

10

−23

σv

(cm

3

s

−

1

)

Pass 8 Combined dSphs

Fermi-LAT MW Halo

H.E.S.S. GC Halo

MAGIC Segue 1

Abazajian et al. 2014 (1σ)

Daylan et al. 2014 (2σ)

Calore et al. 2015 (2σ)

Thermal Relic Cross Section

(Steigman et al. 2012)

bb

Gordon & Macias 2013 (2σ)

–

H.E.S.S. 2016

暗黒物質の衝突しやすさ

暗黒物質質量 (陽子の質量相当)

✤

フェルミ衛星、地上ガンマ線望遠鏡(H.E.S.S.)の観測では、暗黒物質

に起因するガンマ線信号は検出できなかった

❖

暗黒物質の衝突しやすい方がガンマ線信号は検出しやすくなる

❖

暗黒物質の衝突しやすさに対する感度が期待値よりよい領域の質量(陽子の

100倍程度までの領域)をもつ暗黒物質が存在する可能性は低い

✤

現状では、地上ガンマ線観測装置の感度は不十分

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

ガンマ線観測による暗黒物質探査の結果

26

10

1

₁₀

2

₁₀

3

₁₀

4

DM Mass (GeV/c

2

₎

10

−27

10

−26

10

−25

10

−24

10

−23

σv

(cm

3

s

−

1

)

Pass 8 Combined dSphs

Fermi-LAT MW Halo

H.E.S.S. GC Halo

MAGIC Segue 1

Abazajian et al. 2014 (1σ)

Daylan et al. 2014 (2σ)

Calore et al. 2015 (2σ)

Thermal Relic Cross Section

(Steigman et al. 2012)

bb

Gordon & Macias 2013 (2σ)

–

H.E.S.S. 2016

暗黒物質の衝突しやすさ

暗黒物質質量 (陽子の質量相当)

暗黒物質の衝突しやすさの期待値

暗黒物質存在を排除

将来の地上ガンマ線観測装置

✤

チェレンコフ望遠鏡群 (Cherenkov Telescope Array, CTA)

❖

約100台の地上ガンマ線望遠鏡群

❖

日米欧を中心に約1400人の科学者が参加

❖

名古屋大学宇宙地球環境研究所のグループを含む100人の日本人科学者

❖

2022年頃の稼働を目指す

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

✤

31ヶ国

✤

＞200 研究機関

✤

1,420 研究者

CTA参加国

28

✤

1桁以上の感度向上が期待される

❖

フェルミ衛星の観測時間の蓄積と解析対象の矮小楕円銀河の追加

•改良された検出技術で新しい矮小楕円銀河が次々に発見

❖

次世代ガンマ線観測装置CTAによる感度向上によって、陽子の数百

倍から数千倍程度の質量をもつ暗黒物質探査が可能に

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

将来のガンマ線観測による暗黒物質探査

29

10

1

₁₀

2

₁₀

3

₁₀

4

DM Mass (GeV/c

2

₎

10

−27

10

−26

10

−25

10

−24

10

−23

σv

(cm

3

s

−

1

)

Pass 8 Combined dSphs

Fermi-LAT MW Halo

H.E.S.S. GC Halo

MAGIC Segue 1

Abazajian et al. 2014 (1σ)

Daylan et al. 2014 (2σ)

Calore et al. 2015 (2σ)

LAT dSph (15 yrs 60 dSphs)

CTA GC Halo 500h (Lefranc+2015)

CTA MW Halo 500h (Carr+2015) stat. only

Thermal Relic Cross Section

(Steigman et al. 2012)

bb

Gordon & Macias 2013 (2σ)

–

H.E.S.S. 2016

暗黒物質の衝突しやすさ

暗黒物質質量 (陽子の質量相当)

✤

1桁以上の感度向上が期待される

❖

フェルミ衛星の観測時間の蓄積と解析対象の矮小楕円銀河の追加

•改良された検出技術で新しい矮小楕円銀河が次々に発見

❖

次世代ガンマ線観測装置CTAによる感度向上によって、陽子の数百

倍から数千倍程度の質量をもつ暗黒物質探査が可能に

/30

宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

将来のガンマ線観測による暗黒物質探査

29

10

1

₁₀

2

₁₀

3

₁₀

4

DM Mass (GeV/c

2

₎

10

−27

10

−26

10

−25

10

−24

10

−23

σv

(cm

3

s

−

1

)

Pass 8 Combined dSphs

Fermi-LAT MW Halo

H.E.S.S. GC Halo

MAGIC Segue 1

Abazajian et al. 2014 (1σ)

Daylan et al. 2014 (2σ)

Calore et al. 2015 (2σ)

LAT dSph (15 yrs 60 dSphs)

CTA GC Halo 500h (Lefranc+2015)

CTA MW Halo 500h (Carr+2015) stat. only

Thermal Relic Cross Section

(Steigman et al. 2012)

bb

Gordon & Macias 2013 (2σ)

–

H.E.S.S. 2016

暗黒物質の衝突しやすさ

暗黒物質質量 (陽子の質量相当)

暗黒物質の衝突しやすさの期待値

排除可能な質量領域

まとめと展望

✤

宇宙の95%は未知の「もの」に満たされている

✤

そのうち23%は暗黒物質であるがその正体は不明

❖

陽子程度より重い未知の素粒子の可能性がある

•加速実験、地下実験、ガンマ線観測などが有力な探査方法

✤

フェルミ衛星の探査では陽子の100倍程度までの暗黒物質の存在を排

除

❖

今後数百倍まで探査可能

✤

地上ガンマ線望遠鏡は、陽子の数百倍から数千倍程度の質量をもった暗

黒物質を探査可能

❖

現在稼働中の望遠鏡の感度は不十分

❖

将来稼働する予定のCTAは、陽子の数千倍程度の質量をもった暗黒

物質を探査可能

❖

他の方法では探査が非常に困難な質量領域

✤

今後10年間で暗黒物質を検出できるよう精力的に開発

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宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

補助資料

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宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

CTA Sites

44

CTA collaboration

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宇宙ガンマ線観測で解き明かす暗黒物質の正体

第27回公開セミナー「天文学の最前線, 名古屋大学 2018/8/3

CTA Project Timeline

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CTA collaboration (as of July, 2018)