暗黒物質の正体に迫る新しい探査法を提唱~原始惑星系円盤の偏光パターンからアクシオンを探索~

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2019-06-06 京都大学

 藤田智弘 理学研究科・日本学術振興会特別研究員、田崎亮 東北大学研究員、當真賢二 同准教授らは、暗黒物質研究とそれとは全く別に発展してきた惑星形成研究とを融合し、暗黒物質がアクシオンと呼ばれる素粒子であるかどうかを検証する新しい方法を発見しました。

 生まれたての星のまわりには原始惑星系円盤というガスと塵からなる円盤状の天体があり、そこからやってくる光は綺麗な同心円状の偏光パターンを持っています。しかし、偏光は地球に伝わるまでにアクシオンの影響を受けるため、この同心円構造が乱れて観測されることが予想されます。

 今回、すばる望遠鏡が取得した原始惑星系円盤の観測データを分析した結果、このような偏光パターンの乱れは見つかりませんでした。一般に、アクシオンを発見する際には、それが光に与える影響を通して間接的に検出します。その影響の度合いを示すパラメータを「結合定数」といいますが、これまでの研究によって「結合定数」には上限値が設けられていました。

 本研究で開発した探査法は、この上限値を10倍以上小さく更新しました。すなわち、アクシオンを探索すべき観測範囲を飛躍的に絞り込むことに成功しました。今後はさらに高精度の観測によって、暗黒物質アクシオンの兆候を発見できる可能性があります。

 本研究成果は、2019年5月14日に、国際学術誌「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載されました。

図:原始惑星系円盤の偏光が地球に伝わる途中でアクシオンに影響を受けるイメージ

 

書誌情報

【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.191101

Tomohiro Fujita, Ryo Tazaki, and Kenji Toma (2019). Hunting Axion Dark Matter with Protoplanetary Disk Polarimetry. Physical Review Letters, 122(19):191101.

詳しい研究内容について

暗黒物質の正体に迫る新しい探査法を提唱

―原始惑星系円盤の偏光パターンからアクシオンを探索―

【発表のポイント】

・宇宙に満たされている暗黒物質の候補として、アクシオンと呼ばれる素粒子が近年 注目されている。

・本研究では、暗黒物質研究とは全く別に発展してきた惑星形成研究を融合し、新しい暗黒物質探査方法を発見した。

・その方法を現在得られているデータに適用し、アクシオンの性質に対し世界最高の制限をつけることができた。

・今後、より高精度の観測を行ってアクシオンの兆候を見つけられる可能性がある。

【概要】

我々の宇宙は暗黒物質という物体で満たされていることが知られていますが、その正 体は依然として分かっていません。近年、暗黒物質の候補として、アクシオン(注1)と 呼ばれる粒子が注目を集めています。京都大学大学院理学研究科 藤田智弘 研究 員、東北大学大学院理学研究科 田崎亮 研究員、同学際科学フロンティア研究所 當真賢二 准教授(理学研究科兼任)は、暗黒物質研究とそれとは全く別に発展して きた惑星形成研究とを融合し、暗黒物質がアクシオンであるかどうかを検証する新しい 方法を発見しました。生まれたての星のまわりには原始惑星系円盤というガスと塵からなる円盤状の天体があり、そこからやってくる光は綺麗な同心円状の偏光パターン(図 1、注2)を持っています。しかし、偏光は地球に伝わるまでにアクシオンの影響を受けるため、この同心円構造が乱れて観測されることが予想されます(図2)。既存の観測データの中では乱れは見つかりませんでしたが、そのことからアクシオンの性質に対し て世界最高の制限をつけられました。今後はより高精度の観測を行われることが期待され、暗黒物質アクシオンの兆候が見つかる可能性があります。

本研究成果は、2019 年 5 月 14 日に国際学術誌「Physical Review Letters」のオン ライン版に掲載されました。 

図1:原始惑星系円盤の偏光パターンのシミュレーション結果

図2:原始惑星系円盤の偏光が地球に伝わる途中でアクシオンに影響を受けるイメージ

【詳細な説明】

暗黒物質の理論研究者の藤田智弘博士(京都大学)、惑星形成の理論研究者の田 崎亮博士(東北大学)、偏光天文学の理論研究者の當真賢二准教授(東北大学)の 共同研究チームは、これまで全く異なる分野として発展してきた暗黒物質探査の研究と惑星形成の研究を融合し、これまでになかった全く新しいアプローチで暗黒物質の正体に迫る方法を発見しました。

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