Research press release

【天文学】初期宇宙にダークマターが少なかった理由

Nature

Astronomy: Dark matter deficiencies in the early Universe

銀河の形成がピークに達した100億年前の頃に、星形成銀河の外側円盤に多く含まれていたのはダークマターではなく、星とガスであったことを示唆する研究結果が、今週掲載される。この論文に示されている遠方の銀河の回転曲線についての新たな測定値は、宇宙初期の銀河形成のシミュレーションとは食い違っている。

銀河の内部では、星とガス(バリオン成分)がダークマター(非バリオン成分)と混在しており、ダークマターが総質量の大きな割合を占めていると考えられている。バリオン物質と非バリオン物質の比率は、銀河の回転を測定して計算することができる。近傍宇宙では、(天の川銀河などの)銀河の外側円盤に大量のダークマターが含まれており、これらの銀河の回転曲線が比較的平坦なものとなっている。星とガスの質量だけに基づいて論じると、銀河の外側の部分で回転速度が急激に落ちると考えられている。今回、Reinhard Genzelの研究チームは、6つの遠方の大質量星形成銀河の高品質のスペクトルデータを解析して、銀河の外側円盤の回転速度は半径が大きくなると低下することを明らかにした。この結果からは、近傍宇宙ほどダークマターが多くないことが示唆されている。このように近傍の銀河と遠方の銀河の成分に食い違いが見られる理由として、遠方の銀河はガスを多く含み、コンパクトで、ガスの急速な蓄積によって成長するため、ガスがダークマターよりも円盤に定着しやすくなっている点をGenzelたちは挙げている。

同時掲載されるMark SwinbankによるNews & Views記事では、今回の研究がもたらした新知見によって初期銀河の形成と進化の過程についての解明が進んだことが指摘されている。また、Swinbankは、今回の研究結果が「遠方の宇宙に見られる塊状で不規則な星形成銀河が、現在観測されている天の川銀河のような独特な渦銀河へと変化する過程」を説明するものと考えられると付言している。

At the peak of galaxy formation ten billion years ago, the outer disks of star-forming galaxies may have been dominated by stars and gas, rather than dark matter, suggests a study published in this week’s Nature. These new measurements of the rotation curves of distant galaxies seem rather at odds with simulations of early galaxy formation.

Within galaxies, stars and gas (baryonic components) are thought to be mixed with dark (non-baryonic) matter, which dominates the total mass. The proportion of baryonic and non-baryonic matter can be calculated by measuring the rotation of galaxies. In the local Universe, dark matter dominates the outer disks of galaxies (such as the Milky Way), causing the rotation curves of these galaxies to be relatively flat. Going by the mass of the stars and gas only, the rotation velocities should fall steeply in the outer parts of the galaxies. By analysing high-quality spectra of six distant, massive, star-forming galaxies, Reinhard Genzel and colleagues find that the rotation velocities of the outer disks decrease with radius, suggesting that dark matter is less dominant than in the local Universe. This discrepancy between the components of local and distant galaxies could be because distant galaxies are gas-rich and compact, and grow by rapid accumulation of gas, which settles into disks more easily than the dark matter, the authors suggest.

The findings improve our understanding of how early galaxies form and evolve, notes Mark Swinbank in an accompanying News & Views article. He adds that the results may explain “how the star-forming, clumpy, irregular galaxies seen in the distant Universe transformed into the distinctive spiral galaxies, such as the Milky Way, that we see today.”

doi: 10.1038/nature21685

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