物理学者、重力波の一つを発見：もしかしたら、たぶん、ダークマターがかくれんぼしているかも

ダークマター、宇宙で最も有名な見えない居候は、宇宙の物質の大部分を占めていると考えられているが、誰もそれを見ることも触ることも、返事をもらうこともできない。普通の物質とは異なり、光や電磁気力と相互作用することを拒み、重力だけがその存在を検出する唯一の既知の方法となっている。今、研究者たちは、衝突するブラックホールがついにこのとらえどころのない物質に姿を現す理由を与えるかもしれないと考えている。

MITと欧州のいくつかの機関の物理学者たちは、重力波の中に隠された可能性のあるダークマター信号を見つける方法を開発した。重力波とは、ブラックホールのような巨大な物体がらせん状に近づき合体するときに時空に生じる波紋である。もしそれらのブラックホールが衝突する前にダークマターの濃い雲の中を通過すれば、結果として生じる重力波はその相互作用の微かな痕跡を運ぶ可能性がある。それはまるで窓に残された宇宙の手形のようなものだ。チームは、LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）というブラックホールの合体やその他の遠方の宇宙現象を監視する国際的な重力波観測所ネットワークの公開データを使って、その手法をテストした。

研究者たちは、LVKの最初の3回の観測ランからの信号を分析し、これまでに検出された最も明確な28の重力波イベントに焦点を当てた。そのうち27のイベントでは、信号はブラックホールが真空の宇宙空間で合体する場合に科学者が予想するものと一致した。つまり、真空の中ではいつも通りの結果だった。しかし、GW190728として知られる一つの信号は異なって見えた。チームの分析によると、その重力波のパターンはダークマターとの相互作用の証拠を含んでいる可能性がある。研究者たちは、これは確認された発見とはみなされないと強調している。むしろ、宇宙の未解決事件における有望な手がかりのようなものだ。

「ダークマターは私たちの周りに存在することがわかっています。その影響を確認できるほど密度が高くなければならないだけです」と、MIT物理学科の博士研究員Josu Aurrekoetxeaは言う。「ブラックホールはこの密度を高めるメカニズムを提供し、合体時に放出される重力波を分析することでそれを探索できるようになりました。」この発見はPhysical Review Lettersに掲載され、共著者はAurrekoetxea、ベルギーのUniversité Catholique de Louvain (UCLouvain)のLVKメンバーSoumen Roy、アムステルダム大学のRodrigo Vicente、ロンドン大学クイーンメアリー校のKaty Clough、オックスフォード大学のPedro Ferreiraである。

ダークマターは物理学の最大の恥ずかしい問題の一つであり続けている。科学者たちは、銀河の周りの重力が可視物質だけでは説明できないほど強いことや、重力レンズの観測で余分な質量が光を曲げていることから、その存在を推測している。現在の推定では、ダークマターは宇宙の物質の85パーセント以上を占める可能性があるが、研究者たちはそれが実際に何であるかをまだ知らない。提案されている一つの形態は、「軽いスカラー」粒子と呼ばれる非常に軽い粒子を含み、理論によれば、ブラックホールの近くで協調した波のように振る舞うことができる。科学者たちは、これらの波が高速で回転するブラックホールに遭遇すると、ブラックホールの回転エネルギーがダークマターの波に移り、その密度が劇的に増加する可能性があると考えている。このプロセスは超放射として知られ、クリームをバターに変えることに例えられている。（ダークマターがバターの味かどうかはわからないが、例えは成り立つ。）密度が十分に高くなれば、ダークマターはブラックホールが衝突するときに生成される重力波を変化させる可能性がある。

これを調査するために、研究者たちはブラックホールの質量やサイズ、周囲のダークマターの量と密度など、さまざまな条件下でのブラックホール合体の詳細なシミュレーションを構築した。それらのシミュレーションを使って、チームはブラックホールが真空ではなく濃いダークマター環境の中で合体した場合に重力波がどのように見えるかを予測し、それらの波が数百万光年離れた地球に到達するまでにどのように変化するかを考慮した。予測を実際のLVK観測と比較したところ、GW190728だけが28のイベントの中で異なる兆候を示した。