暗黒物質を超えた銀河の振る舞いを再考する

銀河やその挙動の研究から、銀河の動きが見える質量に基づく期待と一致しないことがあることがわかってきた。特に銀河団や銀河の回転においてこの現象が顕著だ。観測によれば、銀河団内の銀河の速度や回転曲線は、見える質量を考慮すると、思っているよりずっと速いことを示している。伝統的には、これは光を放出しない目に見えない物質、「ダークマター」の存在で説明されてきた。でも、スケール不変性という理論から別の説明が生まれる。この理論は、これらの現象を異なる理解で捉えることを提案している。

#スケール不変性：基本概念

スケール不変性は、システムのサイズが変わっても特定の特性が変わらないことを示す原則だ。銀河と重力の文脈では、様々なスケールで力がどのように作用するかを考えることを意味する。この理論は、一般相対性理論やマクスウェルの方程式といった確立された物理学に根ざしていて、物理法則の基本的な対称性を強調している。

最近の宇宙論モデルでは、これらのスケール不変的効果が物質の密度が増すにつれて大幅に減少し、臨界密度レベルで完全に消えることが示されている。スケール不変的な形の測地線方程式から始めることで、銀河や銀河団における重力の理解に適したニュートンの法則の修正版を見つけることができる。

#銀河団に関する発見

重力によって結びついた大きな銀河の集まりである銀河団について、スケール不変的視点を適用すると驚くべき結果が得られた：

1. 銀河団の質量の推定値は、標準的な方法に比べてずっと低く見える。これは、以前考えられていたほど多くのダークマターが必要ないかもしれないことを示唆している。

2. 銀河の平坦な回転曲線は、標準モデルがダークマターに起因するとしていたが、スケール不変性によって予測されたこれらのシステムの自然な動力学で効果的に説明できる。

3. 色が大きく変わった銀河の観測は、それらの回転曲線が急なプロファイルを示す可能性があることを示唆しており、これはスケール不変性の予測に一致する。これは、高い赤方偏移でのケプラー運動への進行中の移行を示している。

4. 銀河団や個々の銀河において、観測された速度を説明するために必要なダークマターの量は、目に見えるバリオン質量の量と一貫して関連しているようで、重力自体が以前考えられていたよりも異なるように働いているかもしれないことを示唆している。

5. 天の川では、銀河平面に垂直に動く星の垂直運動は、星の年齢と正の相関関係を示しており、再びスケール不変的な動力学のアイデアを支持している。

これらの発見はさらに研究するためのエキサイティングな機会を提供していて、特に宇宙の異なるタイプのシステムと時代における異常な一貫性があるからだ。

#歴史的背景：速度と質量

観測された速度が質量推定に基づく期待を大幅に上回る問題は長い歴史を持っている。最初の注目すべき観測はズウィッキーによるもので、彼は銀河団を分析し、質量の過剰を特定した。その後の研究では、質量-光度比がしばしば標準的な期待を超えていることが確認され、時には700倍にもなることが示された。

渦巻銀河の回転曲線もまた、謎の源であった。初期の発見では、銀河の中心からの距離が増すにつれて減少するのではなく、多くの銀河がかなりの距離まで平坦なプロファイルを示した。この期待からの逸脱はダークマター仮説を刺激し、観測データが増えるにつれてその信頼性が高まった。

#加速度の関係

研究者たちは、銀河における平均重力引力（または加速度）と回転速度（半径加速度関係）の関係について調査した。この関係は、低重力加速度が期待される1対1の相関関係から明らかな逸脱を引き起こすことを示した。このような発見は、一般的にダークマターに帰属される特性が、実際には重力理解の一部を反映している可能性があることを示唆している。

興味深いことに、ダークマターの量は銀河内の既存のバリオン質量に直接リンクしているように思われた。この一貫した発見は、以前よりも複雑な関係を示唆し、未観測のダークマターよりも重力の効果を支持することにつながる。

#時間の経過に伴う変化：銀河の挙動の観測

宇宙の始まりに近い時点で形成された銀河の最近の研究から、さらなる洞察が得られた。例えば、赤方偏移が0.6から2.6の間の銀河の観測では、回転曲線が平坦ではなく急激に減少していることが示された。これらの発見は、銀河が発展する中で一定のダークマターの存在を予想するいくつかの既存のダークマターモデルと矛盾するため、多くの議論を呼んでいる。

その含意は深刻だ：もしダークマターの量が時間とともに減少しているように見えるのなら、銀河形成の理解のための伝統的な枠組みを再評価する必要がある。ダークマターによって作られたハローに成長するのではなく、銀河は想定されていたよりも異なる進化を遂げたのかもしれない。

#天の川における垂直運動の理解

私たちの天の川銀河における星の垂直運動は、早期の研究で、これらの速度の分散が星群の年齢と共に増加する傾向があることが示され、疑問を呼んでいる。これらの成長は、巨大な星間雲との相互作用に起因するという初期の理論があった。最近の研究はこの傾向を確認し、さまざまな天体物理学的効果がこの現象に寄与している可能性が高いことを指摘している。

広範な調査を通じて白色矮星や他の星タイプの観測は、年齢と共に垂直速度分散が一貫して増加することを示しており、スケール不変モデルからの理論的予測にうまく一致している。これにより、スケール不変性がこれらの動力学に関与している可能性が示唆されている。

#結論：新しい枠組みに向けて

銀河の挙動や銀河団内のダイナミクスがダークマターに大きく依存せずに説明できるという証拠の蓄積は、宇宙の理解における転機を提示している。観測された高い速度、平坦な回転曲線、ダークマターとバリオン質量の関係は、既存のモデルに挑戦する整合的な絵を指し示している。

スケール不変理論はまだ探求され、洗練されている段階だが、異なるスケールでの力を支配する基本的な原則を強調する新鮮な視点を提供している。異なる時代や環境にわたる膨大な観測から集められたデータは、この理論へのさらなる研究の強力な根拠を提供しており、新たな洞察が私たちの宇宙理解を再構築し、ダークマターのパラダイムから私たちを遠ざける可能性がある。

このプロセスでは、さらなる観測テストとシミュレーションが重要で、スケール不変性によって予測されたものを確認または挑戦する可能性がある。これは、宇宙についてより詳細な理解を深めたいと考える科学者にとって重要な取り組みだ。