[論文レビュー] Dark Matter: The evidence from astronomy, astrophysics and cosmology

M. Roos|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 37被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、銀河の回転曲線や銀河団の力学的挙動、宇宙マイクロ波背景放射の非均一性、大規模構造に至るまで、すべてのスケールで重力的効果を通じて暗黒物質の必要性を示す、広範な天文学的・物理学的・宇宙論的証拠をレビューしている。主な貢献は、専門外の読者にも理解可能な包括的で、暗黒物質の基本的性質についての推測を避けた合成的レビューであり、暗黒物質は観測された重力的現象を説明するために必要不可欠であることを示している。平坦なΛCDMモデルにおいて、最良のフィットによる暗黒物質の密度パラメータはΩ_dm ≈ 0.24である。

ABSTRACT

Dark matter has been introduced to explain many independent gravitational effects at different astronomical scales, in galaxies, groups of galaxies, clusters, superclusters and even across the full horizon. This review describes the accumulated astronomical, astrophysical, and cosmological evidence for dark matter. It is written at a non-specialist level and intended for an audience with little or only partial knowledge of astrophysics or cosmology.

研究の動機と目的

• 天文学、物理学、宇宙論から得られる暗黒物質に関する観測的証拠を網羅的に収集・統合すること。
• 暗黒物質の基本的性質についての推測を避け、非専門家が理解可能な形で証拠を提示すること。
• 複数の独立した重力的現象が、暗黒物質の存在を総合的に必要としていることを示すこと。
• 重力レンズ効果やCMBパラメータのフィットといった、暗黒物質を厳密に制約する主要な観測的テストを強調すること。
• 暗黒物質は、その最終的な物理的性質が何であろうと、標準宇宙論モデルの必須構成要素であることを確立すること。

提案手法

• オールトの1932年による銀河平面付近の星の運動を分析し、可視物質では説明できない重力的質量の欠落を推定する方法。
• 速度分散から全質量を推定するためのバーリング定理の応用により、銀河団の全質量を推定する。
• スパイラル銀河の回転曲線と、明るさおよび星の力学から導かれる質量対光度比を比較する。
• X線観測および重力レンズ効果のデータを用いて、銀河団内でのバリオン質量と全質量分布を分離する。
• 弱および強重力レンズ効果を用いて、電磁放射に依存しない形で質量分布を再構築する。
• CMB非均一性データ、BAO測定、Ia型超新星の赤方偏移を組み合わせ、宇宙論的パラメータのグローバルフィットを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙規模のさまざまな重力的観測において、非発光物質の存在を必要としているのはどのようなものか？
• RQ2 スパイラル銀河の回転曲線と銀河団の力学的挙動は、暗黒物質の存在をどのように制約するか？
• RQ3 バナナクラスター（1E0657-558）のような衝突銀河団におけるレンズ効果とX線観測は、暗黒物質の存在をどの程度直接的に証明するか？
• RQ4 CMB非均一性とバリオン音響振動は、全物質密度および暗黒物質密度をどの程度制約するか？
• RQ5 純バリオン系のシミュレーションは、観測された宇宙の大規模構造を再現できるか？

主な発見

• オールトの1932年による銀河平面付近の星の運動の分析は、可視物質では説明できない重力的ポテンシャルを示し、欠落した質量の存在を示唆した。
• ツィッキーの1933年によるコンマ銀河団のバーリング質量推定は、可視物質のものよりもはるかに高い質量対光度比を示し、暗黒物質の存在を示唆した。
• スパイラル銀河の回転曲線は、可視質量では説明できない平坦な速度プロファイルを示し、拡張した暗黒物質ハローの存在を要求する。
• バナナクラスター（1E0657-558）におけるX線観測とレンズ効果の観測は、重力的質量のピークがバリオン（X線）質量のピークからずれていることを示し、目に見えない物質の存在を証明した。
• CMB、BAO、SNe Iaのデータを統合したフィットにより、Ω_m = 0.285 ± 0.020（統計誤差）± 0.011（系誤差）が得られ、バリオン質量（Ω_b = 0.046）を差し引いた後、Ω_dm ≈ 0.24となった。
• 宇宙は平坦性と一致している（Ω_k = -0.009 ± 0.009）ことから、ΛCDMモデルにおける暗黒物質が主要な構成要素であることが支持された。