1960年代の「一般相対性理論の黄金時代」以来、科学者たちは宇宙の多くが「暗黒物質」として知られる神秘的な見えない質量で構成されていると考えてきました。それ以来、科学者たちはこの謎を二面的なアプローチで解決しようと試みてきました。一方では、天体物理学者はこの質量を説明できる候補粒子を見つけようとしました。
一方、天体物理学者はダークマターの振る舞いを説明できる理論的根拠を見つけようとしました。これまでのところ、議論はそれが「暑い」か「寒い」かという問題に集中しており、比較的単純であるために寒さは有利です。ただし、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター（CfA）が主導する新しい研究が実施されました
これは、インタラクティブなダークマターを含む宇宙のモデルを使用した銀河形成の宇宙論的シミュレーションに基づいていました。シミュレーションは、CfA、MITのカブリ宇宙物理研究所、ライプニッツ宇宙物理学研究所、および複数の大学からの研究者の国際チームによって実施されました。この研究は最近、 王立天文学会の月次通知.
Dark Matterは適切な名前が付けられています。手始めに、それは宇宙の質量の約84％を構成しますが、光やその他の既知の形式の放射線を放出、吸収、反射しません。第二に、それは電磁電荷を持たず、4つの基本的な力の中で最も弱い重力を除いて、他の物質と相互作用しません。
第三に、それは原子またはそれらの通常のビルディングブロック（つまり、電子、陽子、および中性子）で構成されていないため、その神秘的な性質に寄与しています。その結果、科学者たちは、それが宇宙の法則と一致しているが、従来の素粒子物理学の研究には現れていない何らかの新しい種類の物質で構成されている必要があると理論づけています。
ダークマターは、その真の性質に関係なく、ビッグバン以降約10億年以来、宇宙の進化に大きな影響を与えてきました。実際、銀河の形成から宇宙マイクロ波背景放射（CMB）放射の分布まで、すべてにおいて重要な役割を果たすと考えられています。
さらに、ダークマターが果たす役割を考慮した宇宙論モデルは、これら2つの非常に異なるタイプの宇宙構造の観測によって裏付けられています。また、それらは宇宙が膨張している速度のような宇宙パラメータとも一致しており、それ自体は神秘的で目に見えない力（「ダークエネルギー」として知られています）の影響を受けています。
現在、最も広く受け入れられているダークマターのモデルは、重力の影響を超えて他の種類の物質や放射線（それ自体を含む）と相互作用しないこと、つまり「冷たい」ことを前提としています。これは、コールドダークマター（CDM）シナリオとして知られているもので、LCDM宇宙論モデルの形でダークエネルギー（ラムダによって表される）の理論としばしば組み合わされます。
このダークマターの理論的な形式は、
「[CDM]は最もよくテストされ、推奨されるモデルです。これは主に、過去40年ほどの間、人々が冷たいダークマターを標準パラダイムとして使用して予測を作成するために一生懸命に取り組んできたためです。これらは実際のデータと比較されます。一般的に、このモデルはさまざまなスケールで観測されたさまざまな現象を再現します。」
彼が説明しているように、冷たいダークマターシナリオは、宇宙の進化の数値シミュレーションが「ホットなダークマター」（この場合はニュートリノ）を使用して行われた後の先駆けとなりました。これらは、に非常に似ている素粒子です
これらのシミュレーションは、予測された分布が今日の宇宙のようには見えないことを示しました。 「そのため、反対の制限、つまり、生まれたときにほとんど速度がない粒子（別名「冷たい」）が考慮され始めました。この候補を含むシミュレーションは、宇宙の現代の観測に非常によく適合しています。
「以前と同じ銀河クラスタリングテストを実行した後、天文学者はシミュレーションされた宇宙と観測された宇宙の間に驚くべき一致を発見しました。その後の数十年間で、冷たい粒子は、単なる銀河のクラスタリングよりも厳密で重要なテストを通じてテストされ、一般に、これらのすべてが飛行色で合格しました。」
もう1つの魅力の源は、冷たいダークマターが（少なくとも理論的には）直接的または間接的に検出可能であるべきだという事実です。ただし、これまでのところ、単一の粒子を検出する試みはすべて失敗しているため、CDMで問題が発生しています。そのため、宇宙学者は、他の物質との相互作用のレベルがさらに小さくなる可能性のある他の候補者を検討するようにしています。
これは、CfAの天文学者であるSownak Boseが彼の研究チームと一緒に決定しようとしたものです。彼らの研究のために、彼らは「暖かい」ダークマター候補に焦点を合わせました。このタイプの粒子は、光の速度に近づく非常に軽い粒子と微妙に相互作用する能力を持っていますが、よりインタラクティブな「ホット」な種類ほどではありません。
特に、HDMシナリオのかつてのフロントランナーであるニュートリノと相互作用できる可能性があります。ニュートリノは、宇宙の初期の暑い時期に非常に蔓延していたと考えられているため、相互作用するダークマターの存在が強い影響を与えていただろう。
「このクラスのモデルでは、ダークマター粒子は、光子やニュートリノなどの放射種と有限（しかし弱い）相互作用を持つことができます」とボーズ博士は述べた。 「このカップリングは、初期の段階で宇宙の「しこり」にかなり独特の痕跡を残します。これは、ダークマターが冷たい粒子であった場合に予想されるものとはかなり異なります。」
これをテストするために、チームはハーバード大学とアイスランド大学のスーパーコンピューティング施設で最先端の宇宙シミュレーションを実行しました。これらのシミュレーションは、ビッグバン後の約10億から140億年（おおよそ現在）までの暖かい物質と暗い物質の両方の存在によって銀河の形成がどのように影響を受けるかを考慮しました。ボーズ博士はこう述べた。
「[W] eはコンピュータシミュレーションを実行して、140億年の進化の後にこの宇宙がどのように見えるかを実現しました。ダークマターコンポーネントのモデリングに加えて、星の形成、超新星とブラックホールの影響、金属の形成に関する最新の処方も含めました。 等.”
次に、チームは結果を相互に比較して、一方を他方と区別する特徴的なシグネチャを特定しました。彼らが発見したのは、多くのシミュレーションで、このインタラクティブなダークマターの効果が小さすぎて目立たないことです。しかし、それらはいくつかの明確な方法で、特に遠方の銀河が宇宙全体に分布する方法で存在していました。
この観察は、次世代の機器を使用して将来的にテストできるため、特に興味深いものです。 「これを行う方法は、水素ガスの分布を見ることによって、これらの初期の宇宙のしこりをマッピングすることです」とボーズ博士は説明した。 「観測的に、これは十分に確立された手法です。遠方の銀河（通常はクェーサー）のスペクトルを調べることで、初期宇宙の中性水素を探査できます。」
要するに、遠方の銀河から私たちに向かう光は、銀河間媒質を通過しなければなりません。中間の媒体に中性水素がたくさんある場合、銀河からの輝線は部分的に吸収されますが、少ない場合は妨げられません。ダークマターが本当に冷たい場合、それは水素ガスの「より大きな」分布の形で現れますが、WDMシナリオでは振動の塊が発生します。
現在、天文機器には、初期宇宙での水素ガスの振動を測定するために必要な解像度がありません。しかし、ボーズ博士が示したように、この研究は、これらの観察を行うことができるであろう新しい実験と新しい施設に刺激を与えることができました。
たとえば、 ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡 （JWST）は、水素ガス吸収の分布の新しいマップを作成するために使用できます。これらのマップは、インタラクティブなダークマターの影響を確認するか、候補として除外することができます。また、この研究が人々に刺激を与え、すでに検討されている候補者以外の候補者を考えるようになることも期待されています。
結局、ボーズ博士は、これらの種類の理論的予測が観測を新しいフロンティアに拍車をかけ、私たちが知っていると思うことの限界をテストできるという事実から本当の価値が生まれると述べました。 「そして、それが科学のすべてです」と彼は付け加え、「予測を行い、それをテストする方法を提案し、実験を実行し、次に理論を制約/除外します！」
