中性子星を使ったダークマター(暗黒物質)の検出

中性子星を使ったダークマター(暗黒物質)の検出 天文・宇宙
中性子星からのガンマ線を示すイラスト©NASA

ダークマター(暗黒物質)の探索には、地球上では実現できない大きな検出器が必要になるかもしれません。

ダークマターの正体を明らかにすることは、今日の科学における最大の課題の1つです。

しかし、この謎の物質を最終的に理解するための鍵は、星の中にあるのかもしれません。

正確に言うと、ある種の星、つまり中性子星です。

これまで科学者たちは、ダークマターの存在を推測することはできても、直接観測することはできませんでした。

なぜなら、ダークマターの粒子が通常の物質と相互作用することは非常に稀だからです。

このような非常に稀な信号を検出するためには、非常に大きな検出器が必要で、おそらく地球上に十分な大きさの検出器を作ることは不可能でしょう。

しかし、Nature誌は、中性子星という別の選択肢を提供しています。

中性子星全体が究極のダークマター検出器として機能するのです。

中性子星は、地球上で最も密度の高い星であり、ダークマターの検出器としての役割を果たしています。

この中性子星から得られる情報を、より正確に利用する方法を発見しました。

中性子星は、超新星爆発で巨大な星が死んだときにできる星で、コアが崩壊し、重力によって物質が強く押し付けられ、陽子と電子が結合して中性子となります。

太陽に匹敵する質量を半径10kmに圧縮した中性子星の物質は、ティースプーン1杯で約10億トンの質量になります。

これらの星は「宇宙の実験室」であり、地球上では再現できない極端な条件下でのダークマターの振る舞いを研究することができます。

中性子星はダークマター(暗黒物質)を取り込むのに十分な密度を持っている。

中性子星はダークマター(暗黒物質)を取り込むのに十分な密度を持っている。©NASA

ダークマター(暗黒物質)は、通常の物質とは非常に弱い相互作用しかしません。

例えば、ダークマターは1光年(約10兆キロ)の鉛の中を通過しても止められることはありません。

しかし、信じられないことに、中性子星は非常に密度が高く、通過するダークマターの粒子をすべて閉じ込めることができるかもしれないのです。

理論的には、ダークマターの粒子は星の中の中性子と衝突してエネルギーを失い、重力によって閉じ込められてしまいます。

ダークマター粒子は、時間の経過とともに星のコアに蓄積されていきます。

これにより、古くて冷たい中性子星が、将来の観測で手が届くレベルまで加熱されることが予想されます。

極端な場合には、ダークマターの蓄積が星の崩壊を引き起こし、ブラックホールになるかもしれません。

つまり、地球上の実験では観測することが難しい、あるいは不可能な種類のダークマターを、中性子星で調べることができるかもしれないのです。

地球上のダークマター実験では、低速で運動するダークマターの粒子が信じられないほど稀に衝突して生じる、微小な核反跳信号を探します。

一方、中性子星の強力な重力場では、ダークマターが準相対論的な速度まで加速され、はるかに高いエネルギーの衝突が起こります。

また、核反跳実験では、原子核と同程度の質量のダークマター粒子に最も感度が高く、それよりも軽い、あるいは重いダークマターを検出することが難しいという問題もあります。

しかし、理論的には、ダークマター(暗黒物質)の粒子は、その軽重にかかわらず、星や惑星の中にかなりの量が閉じ込められている可能性があります。

中性子星を使ってダークマターを検出するための重要な課題は、中性子星という特殊な環境を十分に考慮した計算を行うことです。

中性子星でのダークマターの捕獲は何十年も前から研究されてきましたが、既存の計算では重要な物理的効果が見落とされていました。

ダークマター(暗黒物質)の存在が推測されているが、まだ直接観測されていない 。

ダークマター(暗黒物質)の存在が推測されているが、まだ直接観測されていない 。©NASA

そこで私たちのチームは、ダークマターの捕獲率(ダークマターが中性子星に蓄積される速度)の計算に重要な改良を加え、答えを大きく変えました。

中性子を点状粒子として扱うのではなく、核子の構造を正しく考慮し、中性子を自由な粒子の気体としてモデル化するのではなく、核子間の強い力の影響を含めました。

これは、星の組成、相対論的効果、量子統計、重力集中などを取り入れた以前の研究に基づいています。

つまり、地球上のダークマター検出器とは全く異なる極端な中性子星環境で、ダークマターの衝突を正しく考える方法を示したのです。

今回の研究により、ダークマター捕獲率の推定値の精度と堅牢性が大幅に向上しました。

これにより、ダークマターと通常の物質との相互作用の強さをより正確に判断することができるようになります。

最終的には、星にダークマターが蓄積されている証拠(または証拠がないこと)があれば、地球上のどこで実験を行えばよいかの貴重な手がかりとなり、ダークマターの謎の解明につながります。

この研究チームには、ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physicsのメンバーとして、メルボルン大学のSandra Robles博士、Michael Virgato博士、Nicole Bell教授、ドイツのマックス・プランク核物理学研究所のGiorgio Busoni博士、アデレード大学のTheo Motta教授、Anthony Thomas AC教授が参加しました。

Published by University of Melbourne. Nicole F. Bell et al, Nucleon Structure and Strong Interactions in Dark Matter Capture in Neutron Stars, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.111803