ダークマター地図作成のための解析手法を新開発! -新たなダークマター地図がアインシュタインの一般相対性理論を裏付ける-

2023年5月2日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)

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図1. アタカマ宇宙論望遠鏡 (Atacama Cosmology Telescope; ACT) の国際共同研究グループによって作成された新しいダークマターの分布図。オレンジ色の領域はダークマターの質量が多いところ、紫色の領域はダークマターの質量が少ない領域を示す。このダークマターの分布の特徴は、奥行き方向にして数億光年にわたっている。なお、灰色と白で示された領域は、Planck衛星によって測定された天の川銀河のダストからの光で、 CMB 観測を妨げている領域を示している。(Credit: ACT Collaboration)

1. 発表概要
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU) の 並河 俊弥 (なみかわ としや) 特任助教が参加するアタカマ宇宙論望遠鏡 (Atacama Cosmology Telescope; ACT) の国際共同研究グループは、2017年から2021年にかけて宇宙マイクロ波背景放射 (CMB, 注1) を観測したデータを用いて、CMB が我々に届くまでの間にどの程度、重力レンズ効果の影響を受けているかを解析しました。そして、全天の約4分の1にあたる天域をカバーするダークマターの分布図を新たに作成し発表しました (図1) 。更に、ダークマターの分布図から宇宙の大規模構造の成長の過程や最近の宇宙の膨張速度を見積もったところ、アインシュタインの一般相対性理論に基づく宇宙の標準理論 (標準宇宙論) の予言値と一致しており、標準宇宙論の正しさを裏付ける結果となりました。CMB の観測では、前景放射と呼ばれる測定誤差の原因となる成分を取り除かなければ正確な観測が出来ませんが、この前景放射成分を上手く取り除く上で並河俊弥 Kavli IPMU 特任助教が新たに開発した解析手法が大きく貢献しました。今回の ACT の研究成果は複数の論文にまとめられ、米国天文学会の発行する天体物理学専門誌アストロフィジカル・ジャーナル (The Astrophysical Journal) に2023年4月11日付で投稿されました。
 

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図2. アタカマ宇宙論望遠鏡 (ACT) の写真。中央部が ACT の電波望遠鏡。望遠鏡の周囲にある構造物は、地上からのミリ波を防ぐための覆いとして機能している。(Credit:Mark Devlin)

2. 発表内容
宇宙の物質の約85%は正体不明のダークマター (暗黒物質) とされ、宇宙が現在の姿に進化する上でダークマターが重要な役割を果たしてきたと考えられています。しかしながら、ダークマターは光をはじめとする電磁波と相互作用せず、重力としか相互作用しないことから直接の観測は困難です。そのため、重力によって光が曲げられる「重力レンズ」の効果により銀河や銀河団の形が歪んでみえる現象や、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の偏光パターンが重力レンズ効果によって歪んで見える現象を定量的に解析することで、ダークマターの分布が調べられてきました。ダークマターの分布を調べることで、ダークマターの性質のみならず、宇宙の大規模構造 (注2) がどのように成長してきたのかといった事象をはじめとする宇宙の成り立ちにも迫ることができます。

今回、チリ北部に位置するアタカマ砂漠のセロ・トコ山頂近く5,190mで観測を行うアタカマ宇宙論望遠鏡 (ACT) の国際共同研究グループは、2017年から2021年にかけて CMB を観測したデータを用いて、重力レンズ効果によるCMBの偏光パターンの歪みを解析し、全天の約4分の1にあたる9,400平方度の天域をカバーするダークマターの分布図を作成し発表しました。そして、このダークマターの分布図から宇宙の大規模構造の成長の過程や最近の宇宙の膨張速度を見積もったところ、アインシュタインの一般相対性理論に基づく宇宙の標準理論 (標準宇宙論) の予言値と一致しており、標準宇宙論の正しさを裏付ける結果となりました。最近の研究で、「宇宙論の危機」と呼ばれる標準宇宙論が破綻しているのではないかとの指摘が一部でされていましたが、ACTによる最新結果は宇宙の進化の過程や膨張速度を標準宇宙論が上手く記述出来ていることを示しています。ダークマター分布図の研究は、前述のように銀河や銀河団からの光を用いた観測からも行われています。研究グループは、「宇宙論の危機」はCMBではなく銀河や銀河団の光を観測に用いていることに起因しているのではないかと指摘しており、それぞれのアプローチからの研究の進展が今後期待されます。

なお、ACT が今回の研究成果を発表するにあたり、Kavli IPMU の並河俊弥 (なみかわ としや) 特任助教が大きな貢献を果たしました。CMB は宇宙が誕生してわずか38万年の時代に発せられた宇宙最古の光で、宇宙膨張に伴って波長が引き伸ばされることで、現在はマイクロ波として観測することができます。しかしながら、CMB が発せられた時代と私たちの間の宇宙には、過去の様々な銀河や天体、宇宙空間に漂う星間ガスなどが存在しており、それらからはマイクロ波と非常に波長の近いミリ波が放出されています。これらの放射は、CMB が発せられた時代より私たちに対して手前からやってくる放射のため「前景放射」と呼ばれます。この前景放射は CMB 観測において測定誤差を生じる原因となることから、この前景放射の成分を厳密に取り除く必要があります。並河俊弥 Kavli IPMU 特任助教は、自らの開発したバイアスハードニングと呼ばれる新手法を使い、ACT の観測した CMB データに含まれる前景放射成分を上手く取り除くことに貢献しました。

15年間運用された ACT は、2022年9月に観測を停止しました。ACT の研究グループは、同じアタカマ砂漠で CMB 観測を行っていた POLARBEAR (ポーラーベア) のグループと一緒になって、次の CMB 観測プロジェクトである Simons Observatory (サイモンズ オブザーバトリー) の運用を2024年から開始しようとしています。Simons Observatory は、ACT の約10倍の速度で CMB の大規模観測を行うことができます。そして、大量に取得した CMB 観測データから、インフレーション理論の裏付けとなる原始重力波の痕跡を探る研究や、今回の ACT の成果のようにダークマター分布図から宇宙の進化を探る研究、更には現在も謎に包まれているニュートリノ質量の絶対値 (注3) とニュートリノが大規模構造の成長に与えた影響を明らかにする研究など、様々な研究が行われようとしています。並河俊弥 Kavli IPMU 特任助教が開発した解析手法は、Simons Observatory の研究でも大いに生かされていくと期待されます。
 

3. 用語解説
注1) 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB)
誕生直後の宇宙は高温高密度であり、光は散乱されて真っ直ぐ進むことができなかった。その後、宇宙が膨張して冷えていき、宇宙誕生後の約38万年頃に光が真っ直ぐ進めるようになった。「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれるこの時代に初めて発せられた光は、宇宙膨張に伴って波長が引き伸ばされて、現在は温度約2.7 K (ケルビン) のマイクロ波として観測することができる。この CMB 発見に対しては、1978年に Arno Penzias (アーノ ペンジアス) 氏と Robert Wilson (ロバート ウィルソン) 氏に、CMB の詳細観測には 2006年にJohn Mather (ジョン マザー) 氏と George Smoot (ジョージ スムート) 氏に対してノーベル物理学賞がそれぞれ授与されている。

注2) 宇宙の大規模構造
100万光年以上という巨大なスケールで広がる銀河や物質から構成される泡状の構造。銀河がほとんど存在しない「ボイド」という領域と銀河が多く集まる「フィラメント」と呼ばれる構造から成る。宇宙初期の急加速膨張であるインフレーションの際に生じた密度ゆらぎがもととなり、更にダークマターがその重力によって物質を集めるきっかけとなったことで成長していった構造と考えられている。

注3) ニュートリノ質量の絶対値
2015年ノーベル物理学賞受賞者の梶田隆章氏による1998年ニュートリノ振動の発見に代表されるように、ニュートリノには質量があることが分かっている。しかしながら、ニュートリノ質量の絶対値については未だ謎に包まれている。岐阜県飛騨市神岡で行われている KamLAND のような二重ベータ崩壊の研究や、 ACT のような宇宙観測の結果からニュートリノ質量の絶対値を探る研究が続けられている。宇宙が冷えてくると、微小な質量を持ったニュートリノも宇宙の大規模構造の成長に寄与したと考えられており、大規模構造の成長過程を正確に知るためにもニュートリノ質量の絶対値の解明は重要である。

 

4. 発表雑誌
雑誌名:The Astrophysical Journal (2023年4月11日投稿)
論文タイトル:The Atacama Cosmology Telescope: Mitigating the impact of extragalactic foregrounds for the DR6 cmb lensing analysis
著者:Niall MacCrann (1), Blake D. Sherwin (1, 2), Frank J. Qu (1), Toshiya Namikawa (3), Mathew S. Madhavacheril (4), Irene Abril-Cabezas (1), Rui An (5), Jason E. Austermann (6), Nicholas Battaglia (7), Elia S. Battistelli (8), James A. Beall (6), Boris Bolliet (1), J. Richard Bond (9), Hongbo Cai (10), Erminia Calabrese (11), William R. Coulton (12), Omar Darwish (13), Shannon M. Duff (6), Adriaan J. Duivenvoorden (12, 14), Jo Dunkley (14, 15), Gerrit S. Farren (1), Simone Ferraro (16), Joseph E. Golec (17, 18), Yilun Guan (19), Dongwon Han (1), Carlos Hervías-Caimapo (20), J. Colin Hill (21), Matt Hilton (22), Renée Hložek (23, 24, 25), Johannes Hubmayr (6), Joshua Kim (4), Zack Li (9), Arthur Kosowsky (26), Thibaut Louis (27), Jeff McMahon (18, 28, 17, 29), Gabriela A. Marques (30), Kavilan Moodley (31), Sigurd Naess (32), Michael D. Niemack (33, 7), Lyman Page (14), Bruce Partridge (34), Emmanuel Schaan (35, 36), Neelima Sehgal (37), Cristóbal Sifón (38), Edward J. Wollack (39), Maria Salatino (40), Joel N. Ullom (6), Jeff Van Lanen (6), Alexander Van Engelen (41), Lukas Wenz (7)

著者所属:
1 DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge, Wilberforce Road, Cambridge CB3 OWA, UK
2 Kavli Institute for Cosmology Cambridge, Madingley Road, Cambridge CB3 0HA, UK
3 Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo, Kashiwa, 277-8583, Japan
4 Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania, 209 South 33rd Street, Philadelphia, PA, USA 19104
5 Department of Physics and Astronomy, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA
6 NIST, Quantum Sensors Group, 325 Broadway, Boulder, CO, 80305
7 Department of Astronomy, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA
8 Sapienza—University of Rome—Physics department, Piazzale Aldo Moro 5—I-00185, Rome, Italy
9 Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, University of Toronto, Toronto, ON, Canada M5S 3H8
10 Department of Physics and Astronomy, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA 15260
11 School of Physics and Astronomy, Cardiff University, The Parade, Cardiff, Wales CF24 3AA, UK
12 Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, 162 5th Avenue, New York, NY 10010, USA
13 Université de Genève, Département de Physique Théorique and Centre for Astroparticle Physics, 24 quai Ernest-Ansermet, CH-1211 Genève 4, Switzerland
14 Joseph Henry Laboratories of Physics, Jadwin Hall, Princeton University, Princeton, NJ, USA 08544
15 Department of Astrophysical Sciences, Peyton Hall, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA
16 Lawrence Berkeley National Laboratory, One Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, USA
17 Department of Physics, University of Chicago, 5720 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA
18 Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA
19 Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, 50 St. George St., Toronto, ON M5S 3H4, Canada
20 Instituto de Astrofísica and Centro de Astro-Ingeniería, Facultad de Física, Pontificia Universidad
Católica de Chile, Av. Vicuña Mackenna 4860, 7820436 Macul, Santiago, Chile
21 Department of Physics, Columbia University, 538 West 120th Street, New York, NY, USA 10027
22 Wits Centre for Astrophysics, School of Physics, University of the Witwatersrand, Private Bag 3, Johannesburg 2050, South Africa
23 David A. Dunlap Department of Astronomy & Astrophysics, 50 St George Street, Toronto ON M5S 3H4
24 Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, 50 St George Street, Toronto ON M5S 3H4
25 Astrophysics Research Centre, University of KwaZulu-Natal, Westville Campus, Durban 4041, South Africa
26 Department of Physics and Astronomy, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15260 USA
27 Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
28 Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago, 5640 S. Ellis Ave., Chicago, IL 60637, USA
29 Enrico Fermi Institute, University of Chicago, Chicago, IL 60637, USA
30 Fermi National Accelerator Laboratory, P. O. Box 500, Batavia, IL 60510, USA
31 Astrophysics Research Centre, School of Mathematics, Statistics and Computer Science, University of KwaZulu-Natal, Durban 4001, South Africa
32 Institute of theoretical astrophysics, University of Oslo, Norway
33 Department of Physics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA
34 Department of Physics and Astronomy, Haverford College, Haverford PA, USA 19041
35 SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 94025, USA
36 Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA
37 Physics and Astronomy Department, Stony Brook University, Stony Brook, New York 11794, USA
38 Instituto de Física, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Casilla 4059, Valparaíso, Chile
39 NASA Goddard Space Flight Center, 8800 Greenbelt Rd, Greenbelt, MD 20771 USA
40 Physics Department, Stanford University, 382 via Pueblo, Stanford 94305 CA USA
41 School of Earth and Space Exploration, Arizona State University, Tempe, AZ, USA 85287

プレプリント (arXiv.orgのページ)
https://arxiv.org/abs/2304.05196

 

5. 問い合せ先
(研究内容について)
並河 俊弥 (なみかわ としや) 
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 特任助教
E-mail: toshiya.namikawa_at_ipmu.jp
*_at_を@に変更してください

(報道に関する連絡先)
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 広報担当 小森真里奈
E-mail:press_at_ipmu.jp
TEL: 04-7136-5977
*_at_を@に変更してください
 

関連リンク
The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the DR6 CMB Lensing Power Spectrum and its Implications for Structure Growth (ACT 国際共同研究グループのプレプリント論文。2023年4月11日に The Astrophysical Journal へ投稿)
The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Gravitational Lensing Map and Cosmological Parameters (ACT 国際共同研究グループのプレプリント論文。2023年4月11日に The Astrophysical Journal へ投稿)
アタカマ宇宙論望遠鏡 (ACT) の1分紹介ビデオ (Credit: Debra Kellner)
アタカマ宇宙論望遠鏡 (ACT) のウェブサイト