図 1. 検出されたダークマターのむらむら。オレンジ⾊が明るいほどダークマターの密度が⾼い場所、暗いほど密度が低い場所を表しています。青白⾊は、クエーサーが重⼒レンズ効果を受けた結果として、アルマ望遠鏡が観測した見かけの像を表しています。（Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K.T. Inoue et al.）

1. 本件のポイント

● 国際プロジェクトによる世界最⼤級の電波⼲渉計「アルマ望遠鏡」で観測
● 宇宙空間に漂うダークマターのむらむらを約3 万光年のスケールで初めて検出
● ダークマターの正体を解明するための重要な⼀歩に

2. 本件の内容
宇宙の質量の⼤部分を占める⽬に⾒えない物質ダークマターは、星や銀河といった宇宙の構造が作られる過程※2で、重要な役割を果たしてきたと考えられています。ダークマターは空間的に⼀様でなく群がって宇宙に分布しているため、その重⼒により、遠⽅の光源からやってくる光（電波を含む）の経路をわずかに変えることができます。この効果(重⼒レンズ効果)の観測から、ダークマターは⽐較的⼤きな質量を持つ銀河や銀河の集団と共にあることがわかっていますが、より⼩さなスケールでどのように分布しているのかこれまで分かっていませんでした。

そこで研究チームは、アルマ望遠鏡を⽤いて、地球から遠く 110 億光年の距離にある天体を観測することにしました。観測対象は、クエーサー※3の 1 つ「MG J0414+0534」※4（以下、「本クエーサー」）です。本クエーサーは、⼿前にある銀河の重⼒レンズ効果により 4 つの像に分かれて⾒えます。しかし、この見かけの像の位置や形は、手前にある銀河の重力レンズ効果のみから計算されるものとはずれており、銀河より小さなダークマターの塊による重力レンズ効果が働いていることを示していました。宇宙論的なスケール(数百億光年)に対して⼗分⼩さい 3 万光年程度というスケールにおいてもダークマターの密度に空間的なゆらぎがあることが分かったのです(図1)。この結果は「冷たい」ダークマター※2の理論的な予測と⼀致するものでした。その予測とは銀河内だけでなく、銀河外の宇宙空間にもダークマターの塊が多数存在する(図2)というものです。今回見つけたダークマターの塊による重力レンズ効果は非常に小さいため、単独で検出することは極めて困難です。しかし、銀河による重力レンズ効果とアルマ望遠鏡の高い解像度を組み合わせることによって、初めてその効果を検出することができました。このように、本研究はダークマターの理論を検証し、正体を解明するための重要な⼀歩と⾔えます。

図 2. 重⼒レンズ効果の概念図。画像中央の天体は銀河です。橙色が銀河間のダークマター、薄黄色が銀河内のダークマターを表しています。光源のクエーサーから出た光（電波）は、銀河による大きな重力レンズ効果とダークマターの塊によるわずかな重力レンズ効果を受けると考えられます。銀河による重力レンズ効果のみを受けた場合の4重像の見え方と実際に観測された4重像とのずれから、光(電波)の経路上におけるダークマターの塊の分布を推定しました。（Credit: NAOJ, K.T. Inoue）

なお、本研究は⽇本学術振興会科学研究費補助⾦（No. 17H02868, 19K03937）、国⽴天⽂台 ALMA 共同科学研究事業 2018-07A、同 ALMA J A P A N 研究費 NAOJ-ALMA-256、台湾 MoST 103-2112-M-001-032-MY3、106-2112-M-001-011、107-2119-M-001-020 の⽀援を受けて⾏われました。

3. 論文掲載
論⽂名：ALMA Measurement of 10 kpc-scale Lensing Power Spectra towards the Lensed Quasar MG J0414+0534
掲載誌：The Astrophysical Journal （インパクトファクター：5.521）
著者：井上開輝、峰崎岳夫、松下聡樹、中⻄康⼀郎
DOI: 10.3847/1538-4357/aceb5f

4. 用語解説
※1 冷たいダークマター
ダークマターが素粒⼦である場合、宇宙膨張により、宇宙の密度が下がると、他の粒⼦と出会うことがなくなるため、通常の物質の運動とは異なる独⽴した運動を始めます。このとき、通常の物質に対して光速より⼗分⼩さい速さで運動するダークマターを冷たいダークマターと呼びます。速さが⼩さいため、大きなスケールの構造を壊す働きがありません。そのため、比較的大きな銀河や銀河の集団などの構造を説明できます。

※2 宇宙の構造が作られる過程
宇宙初期においてダークマターの密度のむらむらが重⼒によって成⻑し、ダークマターの塊に引き寄せられた⽔素やヘリウムが集まって、星や銀河が作られたと考えられています。銀河より⼩さなスケールでダークマターがどのように分布しているかまだ詳しいことは分かっていません。

※3 クエーサー
狭い領域から⾮常に明るい光を放つ銀河の中⼼核。銀河の中⼼に⼤きな質量をもつブラックホールがあり、その周りを⾼速で回転するガスから強い電磁波が放射されています。

※4 MG J0414+0534
MG J0414+0534 は、地球からみるとおうし座の⽅向に位置しています。この天体の⾚⽅偏移(光の波⻑の伸び率)は z=2.639 です。これをもとにプランク衛星の観測から得られたパラメータを⽤いて MG J0414+0534 が光を発したときの宇宙年齢を計算し、パラメータの不定性も考慮して、この記事では距離を 110 億光年としています。

アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA）は、欧州南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運用費は、ESOと、NSFおよびその協力機関であるカナダ国家研究会議（NRC）および台湾国家科学及技術委員会（NSTC）、NINSおよびその協力機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天文宇宙科学研究院（KASI）によって分担されます。 アルマ望遠鏡の建設と運用は、ESOがその構成国を代表して、米国北東部大学連合（AUI）が管理する米国国立電波天文台が北米を代表して、日本の国立天文台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運用の統一的な執行および管理を行うことを目的とします。