見えないものを調べるとき、科学者は「見えないから、ない」とは決めません。見えている星やガスが本来どう動くはずかを計算し、実際の動きと比べます。違いが何度も現れるか、別の説明では足りないかを確かめます。

大きな手がかりは、銀河の回転、光の曲がり方、銀河団どうしの衝突です。一つだけなら測定の間違いかもしれません。異なる方法が同じ方向を指すことで、証拠は強くなります。

ダークマターが重力をもつことは多くの観測から支持されていますが、何という粒子でできているかは確認されていません。地下の検出器で粒子を待つ、加速器の衝突で見えないものが持ち去ったエネルギーを探す、宇宙から届く光や粒子を調べるなど、違う方法で研究が続いています。

ESAの宇宙望遠鏡ユークリッドは、非常に多くの銀河の形と距離を調べ、重力レンズなどから宇宙の大規模な構造を地図にします。ダークマターを一粒ずつ撮影するのではなく、宇宙全体にどう分布しているかをたどる観測です。

私たちの体、地球、星、光っているガスは、原子でできた「通常物質」または「バリオン物質」です。現在の標準的な宇宙像では、宇宙の全エネルギーのうち通常物質は約5％、ダークマターは約27％、ダークエネルギーは約68％と見積もられています。この割合は、宇宙背景放射、銀河の分布、宇宙の膨張など、異なる観測を組み合わせて求めたものです。数字は観測精度や宇宙モデルによって少し変わるため、「宇宙を正確に三つの箱へ分けた」と考えるのではなく、現在もっともよく観測を説明するおおよその構成として読みます。

名前に同じ「ダーク」がついても、ダークマターとダークエネルギーは別の概念です。ダークマターは重力によって物質を集め、銀河や銀河団の骨組みを作る側です。ダークエネルギーは、宇宙の膨張が加速していることを説明するための名前です。また、ブラックホールとも同じではありません。ブラックホールは光が逃げられないほど密度の高い天体ですが、ダークマターは銀河の周囲へ広く分布する「ハロー」を作ると考えられています。

太陽系では、太陽から遠い惑星ほど公転速度が遅くなります。中心に質量が集まっているなら、遠くなるほど重力が弱くなるからです。銀河でも、見える星やガスだけを質量として計算すれば、中心から離れた星の速度は下がるはずでした。ところが多くの渦巻銀河では、外側でも回転速度がほぼ平らなままです。この「距離と回転速度の関係」を回転曲線と呼びます。

見える円盤の外側まで大量の見えない質量が広がっていると仮定すると、星を銀河につなぎ止める重力を説明できます。ここで大切なのは「星が速いから即ダークマター」と決めないことです。星までの距離、銀河の傾き、ガスの動き、通常物質の量を測り直し、別の銀河でも同じ傾向が出るかを確かめます。重力の法則を大きな距離で修正する考えも研究されていますが、銀河団、宇宙背景放射、宇宙の構造まで一緒に説明できるかが試されます。

重力レンズでは、手前にある質量が時空を曲げ、奥の銀河から来る光の道を変えます。大きな弧や複数の像が見える「強い重力レンズ」だけでなく、多数の銀河がほんの少し同じ方向へ伸びる「弱い重力レンズ」もあります。一つの銀河の形はもともと分からないため、何百万、何十億という銀河を統計的に比べ、見えない質量の分布図を作ります。ESAのユークリッドは、この小さなゆがみと銀河の距離を測り、宇宙の歴史の中で構造がどう育ったかを三次元的に調べます。

弾丸銀河団は、二つの銀河団が衝突した現場です。普通の物質の多くを占める高温ガスは互いにぶつかって減速し、X線で見える位置に残りました。一方、重力レンズで求めた質量の中心はガスとは別の場所にあり、銀河とともに先へ進んでいました。これは、光らず、ガスのようには強く衝突しない質量があるという重要な証拠です。ただし一例だけで宇宙全体を決めず、ほかの衝突銀河団やシミュレーションとも比べます。

さらに、宇宙が約38万歳だったころの光である「宇宙マイクロ波背景放射」には、ごく小さな温度のむらがあります。その模様と、現在の銀河が網目状に並ぶ「宇宙の大規模構造」を同じモデルで再現するには、光とはほとんど反応せず、早い時代から重力の種になる成分が必要です。銀河の回転という近い証拠と、初期宇宙という遠い証拠がつながる点が重要です。

ダークマターの候補には、弱い力でまれに原子核と反応すると考えるWIMP、非常に軽い粒子として考えるアクシオン、通常のニュートリノとは性質の違うステライルニュートリノ、初期宇宙でできた可能性のある原始ブラックホールなどがあります。どれも確認済みではありません。暗い星や小天体のような通常物質だけでは、重力レンズ観測や元素の量などを合わせた必要量を十分に説明できないことも分かっています。

探し方は三つに大別できます。「直接探索」は、地下の検出器でダークマター候補が原子核へごく小さな反動を与える瞬間を待ちます。「間接探索」は、候補粒子どうしが反応したときに生じるかもしれないガンマ線、陽電子、ニュートリノなどを宇宙で探します。「加速器探索」は、衝突前後のエネルギーと運動量を比べ、検出器を通り抜けた未知の粒子が持ち去った不足分を調べます。いずれも、放射線や装置の雑音など、よく似た背景事象を除かなければなりません。

実験で候補が見つからないことは、「ダークマターは存在しない」という結論ではありません。その実験が調べられた質量や反応の強さの範囲では見つからなかった、という意味です。科学者は除外できた範囲を図に残し、次の装置がどこをさらに深く調べるか決めます。否定的な結果も、候補を絞るための立派な知識です。

ハローは、銀河の星が見える円盤よりずっと外側まで広がると考えられるダークマターの分布です。重力レンズは、質量が時空を曲げて奥の光の進路を変える現象です。回転曲線は、銀河の中心からの距離と回転速度を並べたグラフです。背景事象は、探している信号によく似た、既知の原因による出来事です。専門用語は難しさを飾る言葉ではなく、何を測り、何と比べたかを短く共有する道具です。

親子では、冷蔵庫に磁石で紙を留め、磁石を紙の裏へ隠して動かしてみてください。表の紙の動きから、裏側の力を推理できます。これは重力やダークマターそのものの実験ではありませんが、「見えない原因を、見える変化から考える」練習になります。最後に「磁石の例だけで、宇宙の正体まで決められないのはなぜ？」と聞くと、例えと証拠の違いまで学べます。

科学者は、観測に合うまで好きな量のダークマターを加えるのではありません。銀河の回転曲線なら星とガスの分布、重力レンズなら背景銀河の形と距離、宇宙背景放射なら温度むらの角度ごとの強さを測り、一つの宇宙モデルがすべてを同時に説明できるか調べます。モデルから作った模擬宇宙では、初期の小さな密度差が重力で成長し、ダークマターの網目に沿ってガスが集まり、銀河が生まれる過程を計算します。現実の銀河の数、集まり方、時代による変化と比べ、合わなければ粒子の性質や通常物質の働きを見直します。

ここには測定誤差だけでなく「系統誤差」があります。望遠鏡の像のわずかなゆがみ、銀河までの距離の推定、銀河形成で星の爆発がガスを動かす効果などが、ダークマターの信号に似ることがあります。別の観測装置、別の波長、独立した解析チームで結果を確かめるのはそのためです。正体が未発見でも、どの性質なら観測と両立するかは少しずつ狭められます。

子供には、地図に見えない山を想像してもらいます。歩く速さだけでなく、川の曲がり、影の長さ、気温の変化も同じ山の形を示すなら、推理は強くなります。ただし宇宙で測るのは川や影ではなく、星の速度、光のゆがみ、放射のむらです。「同じ答えを出す違う物差し」が科学の信頼を支えます。