The search for dark matter -- and what we've found so far | Risa Wechsler

翻訳: Masako Essick 校正: Masako Kigami

Do you ever think about what would happen

この世界が 今とは少し違っていたら

if the world were a little bit different?

どうなっていただろうと 想像したことはありませんか？

How your life would be different

現代ではなく ５千年後に生まれていたら

if you were born 5,000 years from now

instead of today?

どんな生活だっただろう？

How history would be different

大陸の緯度が違っていたとしたら

if the continents were at different latitudes

歴史はどう変わっていただろう？

or how life in the Solar system would have developed

あるいは 太陽が今よりも 10％大きかったとしたら

if the Sun were 10 percent larger.

太陽系の生物は どんな風に 進化していただろう？

Well, playing with these kinds of possibilities

こんな風にいろいろな可能性に 思いを巡らせるのが

is what I get to do for a living

私の仕事ですが

but with the entire universe.

相手は宇宙全体です

I make model universes in a computer.

私はコンピューターで 宇宙のモデルを作っています

Digital universes that have different starting points

デジタル版の宇宙をたくさん作って 起点を変えたり

and are made of different amounts of different kinds of material.

宇宙を構成する物質の種類や量を変えたりして

And then I compare these universes to our own

それを私たちの住む宇宙と比較して

宇宙の構成物質や進化の過程を 見ています

to see what it is made of and how it evolved.

This process of testing models with measurements of the sky

天体観測で得たデータを使って モデルを分析する過程で

has taught us a huge amount about our universe so far.

宇宙について 多くのことが 分かってきました

One of the strangest things we have learned

とても不思議な発見を １つ紹介しましょう

is that most of the material in the universe

宇宙に存在する物質のほとんどは

is made of something entirely different than you and me.

私たち人間を構成している物質とは 全く異なっています

But without it,

しかも この物質が存在しなければ

the universe as we know it wouldn't exist.

今のような宇宙が存在することは ありませんでした

Everything we can see with telescopes

望遠鏡で観測できるのは

makes up just about 15 percent of the total mass in the universe.

宇宙の総質量のわずか 15％程度に過ぎません

Everything else, 85 percent of it,

それ以外の全て つまり残り85%は

doesn't emit or absorb light.

光(電磁波)を出しもしなければ 吸収もしません

We can't see it with our eyes,

目で見ることは不可能です

we can't detect it with radio waves

電波だろうがマイクロ波だろうが どんな電磁波を使っても検知できません

or microwaves or any other kind of light.

But we know it is there

ですが 目に見えるものに与える 影響を見れば

because of its influence on what we can see.

その存在は確かです

It's a little bit like,

例えて言うと

if you wanted to map the surface of our planet

宇宙から撮影した こんな夜の地球の写真を元に

and everything on it

using this picture of the Earth from space at night.

地表の全てのものを 描き出そうとするようなものです

You get some clues from where the light is,

光の場所を手がかりに することはできますが

but there's a lot that you can't see,

見えない部分がたくさんあります

everything from people to mountain ranges.

人も山脈も 何もかもが見えません

And you have to infer what is there from these limited clues.

ほんのわずかなヒントをもとに 何があるかを推測する必要があります

We call this unseen stuff "dark matter."

この見えない部分が 「暗黒物質」と呼ばれるものです

Now, a lot of people have heard of dark matter,

この言葉を聞いたことがある人は 多いと思いますが

but even if you have heard of it,

耳にしたことはあっても

it probably seems abstract,

抽象的に思えたのでは ないでしょうか？

はるか彼方のもので 自分とは無縁のものだと

far away, probably even irrelevant.

Well, the interesting thing is,

ところが 面白いことに

dark matter is all around us

私たちは暗黒物質に 取り囲まれているんです

and probably right here.

おそらく ここにも存在していて

In fact, dark matter particles

会場の皆さんの体を 今まさに通り抜けている

are probably going through your body right now

as you sit in this room.

暗黒物質の粒子もあるはずです

Because we are on Earth

なぜなら 私たちの住む地球は

and Earth is spinning around the Sun,

太陽の周りを公転していますが

and the Sun is hurtling through our galaxy

その太陽は時速約80万キロのスピードで

at about half a million miles per hour.

銀河系を突き進んでいるからです

But dark matter doesn't bump into us,

でも暗黒物質は私たちに 衝突することなく

it just goes right through us.

ただ通り抜けていきます

So how do we figure out more about this?

どうすれば そんな物質の正体を突き止め

What is it,

人類の存在にどう関係するか 調べられるのでしょうか？

and what does it have to do with our existence?

Well, in order to figure out how we came to be,

人類が存在するに至った過程を 理解するためには

we first need to understand how our galaxy came to be.

まずは私たちの住む銀河系の生い立ちを 知る必要があります

This is a picture of our galaxy, the Milky Way, today.

これは現在の天の川銀河の写真です

What did it look like 10 billion years in the past

今から100億年前

or what would it look like 10 billion years in the future?

または100億年後なら どんな風に見えるでしょうか？

What about the stories

大規模な天体観測から 所在が確認された

of the hundreds of millions of other galaxies

何百万という銀河は

that we've already mapped out with large surveys of the sky?

どんなストーリーを 持っているのでしょうか？

How would their histories be different

宇宙が別のもので構成されていたり

if the universe was made of something else

含有物質の量が違っていたりしたら

or if there was more or less matter in it?

そういう銀河の歴史は どう変わっていたでしょうか？

So the interesting thing about these model universes

宇宙モデルの面白い点は

is that they allow us to test these possibilities.

こうした様々な可能性を 分析できることです

Let's go back to the first moment of the universe --

宇宙誕生の瞬間に戻ってみましょう

just a fraction of a second after the big bang.

ビッグバンが起こってから ほんの１秒も経っていない状態です

In this first moment,

この最初の瞬間には

there was no matter at all.

物質は全く存在していません

The universe was expanding very fast.

そのとき 宇宙はとてつもないスピードで 拡大していました

And quantum mechanics tells us

量子力学から分かることですが

that matter is being created and destroyed

物質は四六時中 常に 生成や崩壊をしています

all the time, in every moment.

At this time, the universe was expanding so fast

この時は 宇宙の拡大が速すぎて

that the matter that got created couldn't get destroyed.

崩壊が生成に 追い付きませんでした

And thus we think that all of the matter was created during this time.

そういうわけで 全ての物質は この時期に作られたと 考えられています

Both the dark matter

暗黒物質もそうですし

and the regular matter that makes up you and me.

私たちを構成している 通常の物質もそうです

Now, let's go a little bit further

ここで 少しだけ時計の針を進めて

to a time after the matter was created,

物質ができた後の世界を考えてみましょう

after protons and neutrons formed,

陽子と中性子が形成されて

after hydrogen formed,

水素も形成されました

about 400,000 years after the big bang.

ビッグバンから約40万年後の世界です

The universe was hot and dense and really smooth

宇宙は高温で高密度 また とても均一でした

but not perfectly smooth.

ですが 完全に均一という わけではありません

This image, taken with a space telescope called the Planck satellite,

この画像は プランク衛星という 宇宙望遠鏡で撮影されたものです

shows us the temperature of the universe

全天の宇宙の温度を示しています

in all directions.

And what we see

この写真を見ると 温度と密度が 他よりも少し高い部分があります

is that there were places that were a little bit hotter

and denser than others.

The spots in this image

まだらになっている部分は

represent places where there was more or less mass in the early universe.

初期の宇宙で多かれ少なかれ 質量のあった場所を示しています

Those spots got big because of gravity.

そういう場所が 重力の働きで成長します

The universe was expanding and getting less dense overall

この138億年間 宇宙は拡大し続けていて

over the last 13.8 billion years.

全体的に密度は 下がり続けています

But gravity worked hard in those spots

その一方で 質量が 少し大きい場所には

where there was a little bit more mass

重力が強く作用して

and pulled more and more mass into those regions.

どんどん質量が引き寄せられました

これだけでは ちょっと 想像しにくいですよね

Now, all of this is a little hard to imagine,

so let me just show you what I am talking about.

ですので 今の話を 実際にお見せしましょう

Those computer models I mentioned allow us to test these ideas,

こうした概念も 先ほどお話した コンピューターモデルで実験できます

so let's take a look at one of them.

お見せするのは１つの例です

This movie, made by my research group,

この動画は 私の研究グループで 作ったものです

shows us what happened to the universe after its earliest moments.

宇宙が誕生して間もない頃に 何が起こったかを示しています

You see the universe started out pretty smooth,

このように最初 宇宙は とても一様でしたが

but there were some regions

物質が少し多めに存在する 領域もありました

where there was a little bit more material.

Gravity turned on and brought more and more mass

ほんの少し質量が 大きい領域には

into those spots that started out with a little bit extra.

重力の作用で 質量が引き付けられていきます

Over time,

やがて 十分な量が１か所に集まると

you get enough stuff in one place

that the hydrogen gas,

最初は暗黒物質としっかりと 混ざり合っていた水素ガスが

which was initially well mixed with the dark matter,

starts to separate from it,

分離し始めます

cool down, form stars,

そして 温度が下がり 星が形成され

and you get a small galaxy.

小さな銀河ができます

Over time, over billions and billions of years,

そして何十億年もの 長い時間をかけて

those small galaxies crash into each other

小さな銀河どうしが衝突し

and merge and grow to become larger galaxies,

結合することで 銀河は成長を続け

like our own galaxy, the Milky Way.

私たちの天の川銀河のような 大きさになります

Now, what happens if you don't have dark matter?

さて 暗黒物質が存在しない場合には 何が起こるのでしょうか？

If you don't have dark matter,

暗黒物質がなければ

those spots never get clumpy enough.

そういう場所で 十分な塊ができません

It turns out, you need at least a million times the mass of the Sun

１つの高密度の領域に 太陽の百万倍以上の質量が集まらなければ

in one dense region,

星の形成は始まらないことが 分かっていますが

before you can start forming stars.

And without dark matter,

暗黒物質がなければ

you never get enough stuff in one place.

１か所に十分な量が 集まらないのです

So here, we're looking at two universes, side by side.

ここで２種類の宇宙を並べて見てみましょう

In one of them you can see

一方では すぐに塊ができていきます

that things get clumpy quickly.

この宇宙では 銀河が容易に形成されます

In that universe,

it's really easy to form galaxies.

In the other universe,

もう一方の宇宙では

the things that start out like small clumps,

最初に小さな塊になっていた部分が

they just stay really small.

成長せずに 小さいままです

Not very much happens.

ほとんど何も起こりません

In that universe, you wouldn't get our galaxy.

この宇宙では 私たちの住む 銀河系はおろか

Or any other galaxy.

どんな銀河も生まれません

You wouldn't get the Milky Way,

天の川銀河が形成されることも

you wouldn't get the Sun,

太陽ができることもなく

you wouldn't get us.

人類も誕生しません

We just couldn't exist in that universe.

人間が存在し得ない宇宙なのです

OK, so this crazy stuff, dark matter,

この非常に不思議な暗黒物質は 宇宙の質量の大半を占めています

it's most of the mass in the universe,

it's going through us right now, we wouldn't be here without it.

人類の存在は 絶えず体を通過する この物質のおかげです

What is it?

その正体は？

Well, we have no idea.

実は全く分かっていません

(Laughter)

（笑）

But we have a lot of educated guesses,

ですが 根拠に基づいた推測が たくさん出てきており

and a lot of ideas for how to find out more.

さらに探るためのアイデアも 数多くあります

So, most physicists think that dark matter is a particle,

ほとんどの物理学者は 暗黒物質は粒子だと考えています

similar in many ways to the subatomic particles that we know of,

おなじみの 陽子、中性子、電子といった

like protons and neutrons and electrons.

亜原子粒子に 類似したものだろうと

Whatever it is,

それが何にせよ 重力を受けたときの反応は 非常に似通っています

it behaves very similarly with respect to gravity.

But it doesn't emit or absorb light,

ですが 光は出さず 吸収もしません

and it goes right through normal matter,

また 通常の物質を突き抜けてしまいます

as if it wasn't even there.

そこに物質がないかのように

We'd like to know what particle it is.

暗黒物質とは どんな粒子なのでしょうか？

For example, how heavy is it?

例えば 重さはどれくらいなのか？

Or, does anything at all happen if it interacts with normal matter?

通常の物質と何らかの 相互作用をするのか？

Physicists have lots of great ideas for what it could be,

物理学者は暗黒物質の正体について 色々推測していて

they're very creative.

実にクリエイティブに考えていますが

But it's really hard,

そういうアイデアが 非常に広範囲に及んでいるために

because those ideas span a huge range.

とても難しいものになっています

It could be as small as the smallest subatomic particles,

最小の亜原子粒子くらい 小さいという考えから

or it could be as large as the mass of 100 Suns.

太陽100個分の質量を持つほど 大きいという 考えまであります

So, how do we figure out what it is?

では どうすれば正体を 突き止められるでしょうか？

Well, physicists and astronomers

物理学者や天文学者にとって 暗黒物質を探す方法はたくさんあります

have a lot of ways to look for dark matter.

その１つの例が

One of the things we're doing is building sensitive detectors

地下鉱山深くで現在進行中の 高感度検出器の製作です

in deep underground mines,

waiting for the possibility

地球や私たちを通り抜ける 暗黒物質の粒子が

that a dark matter particle, which goes through us and the Earth,

would hit a denser material

密度の高い物質にぶつかって 通過の痕跡を残す可能性を探るのです

and leave behind some trace of its passage.

We're looking for dark matter in the sky,

暗黒物質の探求は 空でも進められています

暗黒物質粒子どうしが衝突したときに 発生するであろう高エネルギーの電磁波を

for the possibility that dark matter particles

would crash into each other

and create high-energy light that we could see

特殊なガンマ線望遠鏡で 確認することを目論んでいます

with special gamma-ray telescopes.

We're even trying to make dark matter here on Earth,

地球上では 暗黒物質を 作り出す試みさえ行われていて

by smashing particles together and looking for what happens,

スイスにある 大型ハドロン衝突型加速器で

粒子どうしを衝突させて 現象を観察しています

using the Large Hadron Collider in Switzerland.

Now, so far,

これまでに

all of these experiments have taught us a lot

そういった実験により 多くのことが分かりました

about what dark matter isn't

暗黒物質が 何物でないかについて―

(Laughter)

（笑）

but not yet what it is.

正体はまだ分かっていません

There were really good ideas that dark matter could have been,

暗黒物質が何物かについては いろいろアイデアがあって

that these experiments would have seen.

その通りなら これらの実験で 観察されるはずですが

And they didn't see them yet,

まだ確認はされていません

so we have to keep looking and thinking harder.

ですので 今後も知恵を絞って 探し続ける必要があります

Now, another way to get a clue to what dark matter is

さて 暗黒物質の正体についてヒントを得る 方法がもう１つあります

is to study galaxies.

それが銀河の研究です

We already talked about

先ほどお話ししたように

how our galaxy and many other galaxies wouldn't even be here

暗黒物質がなければ 銀河系をはじめ 多くの銀河は存在し得ません

without dark matter.

Those models also make predictions

モデルに基づいた 銀河についての予想は

for many other things about galaxies:

これ以外にも たくさんあります

How they're distributed in the universe,

宇宙における銀河の分布

how they move,

どんな動きをしているのか

how they evolve over time.

時間とともに どう進化していくのか

And we can test those predictions with observations of the sky.

こうした予想は 天体観測で確かめられます

So let me just give you two examples

そういう銀河を使った方法を ２つご紹介しましょう

of these kinds of measurements we can make with galaxies.

The first is that we can make maps of the universe with galaxies.

１つ目は 銀河を使い 宇宙の地図を作るというものです

I am part of a survey called the Dark Energy Survey,

私が関わっている ダークエネルギー調査では

which has made the largest map of the universe so far.

これまでで最大の 宇宙の地図を作っています

We measured the positions and shapes of 100 million galaxies

全天の８分の１の部分の

１億にのぼる銀河の位置と形が 測定されています

over one-eighth of the sky.

And this map is showing us all the matter in this region of the sky,

この宇宙地図には 空のその部分に存在する 全物質が示されています

which is inferred by the light distorted from these 100 million galaxies.

これは１億の銀河からの光の歪みに基づいて 推測された結果です

The light distorted from all of the matter

光は そういう銀河と私たちの間に存在する 全ての物質によって歪みます

that was between those galaxies and us.

The gravity of the matter is strong enough to bend the path of light.

物質の持つ重力には光を曲げるのに 十分な強さがあるんです

それを考慮して得られるのが この画像です

And it gives us this image.

So these kinds of maps

つまり こうした天体図を見れば

can tell us about how much dark matter there is,

どれくらい暗黒物質が あるのかが わかり

they also tell us where it is

また その位置や 経時的な変化もわかります

and how it changes over time.

So we're trying to learn about what the universe is made of

ここでは 最大規模での観察から 宇宙の構成要素を知ろうとしているわけですが

on the very largest scales.

It turns out that the tiniest galaxies in the universe

実は 宇宙で一番小さい銀河から 有益なヒントを得られることが分かりました

provide some of the best clues.

So why is that?

理由を説明しましょう

Here are two example simulated universes

ここに２つの宇宙の シミュレーションがあります

with two different kinds of dark matter.

違いは暗黒物質の種類です

Both of these pictures are showing you a region

どちらの写真も 天の川銀河のような銀河の

around a galaxy like the Milky Way.

周辺の領域を示したものです

And you can see that there's a lot of other material around it,

周囲に他の物質がたくさんあるのが 分かります

little small clumps.

小さな塊になっている部分です

Now, in the image on the right,

さて 右側の画像では

dark matter particles are moving slower than they are in the one on the left.

暗黒物質の粒子は 左側の画像よりも ゆっくりと動いています

If those dark matter particles are moving really fast,

暗黒物質の粒子の動きが 非常に速いと

then the gravity in small clumps is not strong enough

小さな塊の重力では力が弱すぎて

to slow those fast particles down.

高速の粒子の速度は下がらず

And they keep going.

そのまま進み続け

They never collapse into these small clumps.

小さな塊に取り込まれる ことはありません

So you end up with fewer of them than in the universe on the right.

左側の宇宙では 右側の宇宙よりも 塊の数が少なくなります

If you don't have those small clumps,

小さな塊が存在しなければ

then you get fewer small galaxies.

小銀河の数も少なくなります

If you look up at the southern sky,

南の空を見上げると

you can actually see two of these small galaxies,

実際にそういう小銀河を ２つ見ることができます

the largest of the small galaxies that are orbiting our Milky Way,

天の川銀河を周回する 小銀河としては最大の

the Large Magellanic Cloud and the Small Magellanic Cloud.

大マゼラン雲と小マゼラン雲です

In the last several years,

この数年で さらに小さな銀河が たくさん見つかっています

we have detected a whole bunch more even smaller galaxies.

This is an example of one of them

これはその１つです

that we detected with the same dark energy survey

先ほどの 宇宙地図を作るときに使った

that we used to make maps of the universe.

ダークエネルギー調査で 発見されたものです

These really small galaxies,

非常に小さい銀河の中には

some of them are extremely small.

極めて小さいものもあり

Some of them have as few as a few hundred stars,

天の川銀河のように 何千億の恒星ではなく

compared to the few hundred billion stars in our Milky Way.

数百の恒星だけで できています

So that makes them really hard to find.

そうなると見つけるのは 非常に厄介ですが

But in the last decade,

この10年の間に

we've actually found a whole bunch more of these.

たくさんの小銀河が 新たに発見されました

We now know of 60 of these tiny galaxies

今では 60の小銀河が天の川銀河を

that are orbiting our own Milky Way.

周回していることが分かっています

And these little guys are a big clue to dark matter.

この小さな銀河が暗黒物質の謎を解くうえで 大きなヒント与えてくれます

Because just the existence of these galaxies tells us

小銀河が存在するという 事実そのものから

that dark matter can't be moving very fast,

暗黒物質はすごく速く動くものではなく

and not much can be happening when it runs into normal matter.

通常の物質に遭遇しても 特に何も 起こらないことが分かるからです

In the next several years,

今後 数年のうちに

we're going to make much more precise maps of the sky.

今よりもずっと正確な天体図を 作るつもりです

And those will help refine our movies

それができれば 宇宙や銀河全体の動画に

of the whole universe and the entire galaxy.

さらに磨きをかけることができます

Physicists are also making new, more sensitive experiments

物理学者も 実験室で 暗黒物質の兆候を捉えるべく

to try to catch some sign of dark matter in their laboratories.

新しい高感度の実験を準備中です

Dark matter is still a huge mystery.

暗黒物質は依然として 大きな謎に 包まれていますが

But it's a really exciting time to be working on it.

今は それに取り組む 絶好の時です

We have really clear evidence it exists.

暗黒物質が存在することには 明確な証拠があります

From the scale of the smallest galaxies

極小の銀河という規模から

to the scale of the whole universe.

宇宙全体という規模まで

Will we actually find it and figure out what it is?

実際にこの物質を見つけて 正体を突き止めることはできるのでしょうか？

I have no idea.

何とも言えません

But it's going to be a lot of fun to find out.

ですが それを解明するのは 非常に楽しいだろうと思います

We have a lot of possibilities for discovery,

発見できる可能性は大いにあります

and we definitely will learn more about what it is doing

暗黒物質が何をしているのか それが何物ではないのか

and about what it isn't.

もっと学べるだろうことは確かです

Regardless of whether we find that particle anytime soon,

近いうちに この粒子を 見つけられるかどうかは別にして

I hope I have convinced you

この謎が非常に身近な話だと 皆さんに理解してもらえたことを願います

that this mystery is actually really close to home.

The search for dark matter

暗黒物質の探求により

may just be the key to a whole new understanding of physics

物理学や 宇宙における 我々の位置についての認識が

and our place in the universe.

刷新されるかもしれません

Thank you.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）