ドンリンカーンは、米国最大のラージハドロンコライダー研究機関である米国エネルギー省のフェルミラボの上級科学者です。彼はまた、最近の「ラージハドロンコライダー：ヒッグスボソンとあなたの心を吹き飛ばす他のことの並外れた物語」（Johns Hopkins University Press、2014年）を含む、一般向けの科学についても書いています。 Facebookで彼をフォローできます。リンカーンはこの記事をLive ScienceのExpert Voices：Op-Ed＆Insightsに寄稿しました。
多くの科学に詳しい人々は、宇宙がカール・セーガンのよく引用されている「数十億」の銀河だけでなく、暗黒物質と呼ばれる膨大な量の目に見えない物質からも作られていると当然と考えています。この奇妙な問題は、電磁気学や強い核力と弱い核力を介して相互作用しない新しい種類の素粒子であると考えられています。暗黒物質はまた、通常の原子の物質よりも宇宙で5倍多いとされています。
しかし、現実には暗黒物質の存在はまだ証明されていません。暗黒物質は、仮説ですが、かなり支持されています。すべての科学理論は予測を行う必要があり、それが正しい場合は、実行する測定が予測と一致する必要があります。同じことがダークマターにも当てはまります。たとえば、暗黒物質理論は銀河の回転速度を予測します。しかし、これまでは、低質量銀河の中心での詳細な暗黒物質分布の測定は、それらの予測と一致していませんでした。
最近の計算はそれを変えました。この計算は、タリー-フィッシャー関係の難問を解決するのに役立ちます。これは、銀河の目に見える、または通常の問題をその回転速度と比較します。非常に簡単に言えば、科学者たちは、渦巻銀河の質量が大きい（したがって明るい）ほど、回転速度が速いことを発見しました。
しかし、暗黒物質が存在する場合、銀河の「大きさ」は、目に見える物質だけでなく、暗黒物質によっても決定されます。方程式の膨大な部分-暗黒物質の量-が不足しているため、タリー-フィッシャーの関係は成り立たないはずです。それでもそうです。この関係を既存の暗黒物質理論と調和させる方法を想像するのは困難でした。今まで。
暗黒物質の起源
暗黒物質のようなものが必要になるかもしれない最初のインクリングは1932年に戻ります。オランダの天文学者Jan Oortは天の川の中の星の軌道速度を測定し、観測された銀河の質量によって説明するには速すぎました。
星は、ほぼ円形の経路でその親銀河を周回し、重力は、それらの軌道に星を保持する力です。ニュートンの方程式は、星を円形の経路F（circular）で移動させる力が、星への重力による力F（gravity）に等しくなければならないことを予測します。そうでない場合、星は宇宙に飛び立つか、落下します。銀河の中心。高校の物理学を覚えている人にとって、F（circular）は慣性の声明であり、ちょうどニュートンのF = maです。 F（重力）は、ニュートンの普遍的な重力の法則です。
銀河の中心近くで、RubinとFordは、予想通り、F（circular）がF（gravity）にほぼ等しいことを発見しました。しかし、銀河の中心から遠く離れているため、方程式の両辺はあまり一致していませんでした。詳細は銀河ごとに異なりましたが、それらの観測は本質的に普遍的でした。
このような劇的な不一致には説明が必要です。銀河の中心近くで、ルービンとフォードの測定値は理論が機能していることを意味し、より大きな軌道距離での不一致は、既存の理論では説明できない何かが起こっていることを意味していました。彼らの洞察は、慣性がどのように機能するか（F（circular）など）を理解していないか、重力がどのように機能するか（F（gravity）など）を理解していないことを明らかにしました。 3番目の可能性は、等号が間違っていることです。これは、方程式に含まれていない他の力または効果があることを意味します。それらが唯一の可能性でした。
不一致の説明
ルービンとフォードの最初の研究から40年の間に、科学者たちは発見した銀河の回転の不一致を説明するために多くの理論をテストしてきました。物理学者モルデハイミルグロムは、「修正ニュートンダイナミクス」またはMONDと呼ばれる慣性の修正を提案しました。初期の形では、非常に低い加速度では、ニュートンの方程式F = maは機能しないと仮定していました。
他の物理学者は重力の法則の修正を提案しました。この領域では、アインシュタインとニュートンの予測は本質的に同じであるため、アインシュタインの一般相対性理論はここでは役に立ちません。そして、原子以下の粒子を使って重力を説明しようとする量子重力の理論は、同じ理由で説明できない。ただし、ニュートン重力とは異なる銀河系または銀河系外のスケールで予測を行う重力理論があります。したがって、これらはオプションです。
次に、新しい力が存在するという予測があります。これらのアイデアは、「第5の力」という名前でまとめられており、重力、電磁気、強い核力と弱い核力を超える力を意味します。
最後に、暗黒物質の理論があります。それは、光とまったく相互作用しないが、引力を発揮するタイプの物質が宇宙に浸透します。
銀河の回転測定が唯一のデータだったとしたら、これらの異なる理論から選択するのは難しいかもしれません。結局のところ、銀河回転問題を解決するために各理論を微調整することが可能かもしれません。しかし、最も説得力のある理論を特定するのに役立つ多くの異なる現象の多くの観察があります。
1つは、銀河の大きなクラスター内の銀河の速度です。銀河は動きが速すぎて、クラスターが結合し続けることができません。もう1つの観測は、非常に遠方の銀河からの光です。これらの非常に遠い古代の銀河の観測は、それらの光がより近くの銀河のクラスターの重力場を通過することによって歪められることを示しています。宇宙の誕生の叫びである宇宙マイクロ波背景の小さな不均一性の研究もあります。これらの測定値すべて（およびそれ以上）も、銀河の回転速度を説明するための新しい理論によって対処する必要があります。
ダークマターの未回答の質問
暗黒物質理論は、これらの測定値の多くを予測するのに妥当な仕事をしてきました。それが、科学界で尊敬されている理由です。しかし、ダークマターはまだ未確認のモデルです。これまでのその存在の証拠はすべて間接的です。ダークマターが存在する場合は、地球を通過するときにダークマターの相互作用を直接観察でき、ラージハドロンコライダーのような大粒子加速器でダークマターを作成できる可能性があります。しかし、どちらのアプローチも成功していません。
さらに、暗黒物質は、多くの天文観測だけでなく、すべての天文観測と一致する必要があります。ダークマターはこれまでで最も成功したモデルですが、完全に成功したわけではありません。暗黒物質モデルは、実際に検出されるよりも、天の川のような大きな銀河を取り巻くより小さな衛星銀河を予測します。より多くの矮小銀河が発見されていますが、暗黒物質の予測と比較してまだ少なすぎます。
もう1つの大きな未解決の問題は、暗黒物質が銀河の明るさと回転速度の関係にどのように影響するかです。 1977年に初めて発表されたこの関係はタリー-フィッシャー関係と呼ばれ、銀河の可視質量がその回転速度とよく相関していることが何度も示されています。
暗黒物質に対する厳しい挑戦
これで、裏話は終わりです。なにが新しい？
タリー-フィッシャー関係は暗黒物質モデルにとって難しい課題です。銀河の回転は、銀河に含まれる物質の総量によって支配されます。暗黒物質が本当に存在する場合、物質の総量は通常の物質と暗黒物質の両方の合計です。
しかし、既存のダークマター理論では、ランダムな銀河には、ダークマターの割合が大きいか小さい可能性があると予測されています。したがって、目に見える質量を測定すると、潜在的に総質量の大きなチャンクが欠落する可能性があります。結果として、可視質量は銀河の総質量（およびそれによる回転速度）の非常に悪い予測子になるはずです。銀河の質量は、目に見える（通常の）質量と似ている場合もあれば、はるかに大きい場合もあります。
したがって、可視質量が銀河の回転速度の優れた予測因子であると期待する理由はありません。まだです。
実際、今年発表された論文では、ダークマターの懐疑論者は、タリーフィッシャー関係の測定値を使用して、さまざまな銀河でダークマターの仮説とMONDなどの慣性の修正版を主張していました。
暗黒物質によりよく適合
しかし、6月に発表された論文では、科学者たちは暗黒物質モデルに大幅な後押しを与えています。新しい作品は暗黒物質モデルの以前の予測の成功を再現するだけでなく、タリー-フィッシャー関係も再現します。
新しい論文は「半分析」モデルであり、分析方程式とシミュレーションを組み合わせたものです。銀河形成の種となった可能性のある初期宇宙の暗黒物質の凝集をシミュレートしますが、重力引力、星の形成、および加熱による別の天体への通常物質の落下などの通常物質の相互作用も含まれます星明かりと超新星による落下ガスの。パラメータを注意深く調整することにより、研究者は予測されたタリーフィッシャー関係をよりよく一致させることができました。計算の鍵は、予測される回転速度に、銀河のバリオンと暗黒物質の比率の現実的な値が含まれることです。
新しい計算は、暗黒物質モデルを検証するための重要な追加ステップです。しかし、それは最終的な言葉ではありません。成功した理論はすべての測定値に一致するはずです。同意しないとは、理論またはデータのいずれかが間違っているか、少なくとも不完全であることを意味します。予測と測定の間にいくつかの矛盾が残っていますが（大きなものの周りの小さな衛星銀河の数など）、この新しい論文では、今後の作業でこれらの残りの矛盾を解決できると確信しています。暗黒物質は、宇宙の構造に関する強力な予測理論のままです。それは完全ではなく、実際の暗黒物質粒子を発見することによる検証が必要です。ですから、まだやるべきことがまだあります。しかし、この最新の計算は、宇宙が本当にダークサイドに支配されているかどうかを、いつまでも知る日への重要なステップです。
