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暗黒物質(ダークマター)について中学生にもわかるように説明をお願いします。

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ID非公開さん

2019/1/113:21:31

暗黒物質(ダークマター)について中学生にもわかるように説明をお願いします。

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ele********さん

2019/1/114:07:39

言葉の定義から始めましょう

物質(マター)とは重力(通常は引力で他の物質と引き合う)を生じる存在のことです。原子でも素粒子でもなんでもかまいませんが質量を持っているという意味でもあります。ただし質量を持たない光のような素粒子も物質と分類されることはありますが、この場合は「質量がある」=「重力源となる」の意味です。

暗黒(ダーク)という意味は、見えないという意味です。見えるとはその物体から光が出て目に入るということです。太陽や電球のように自分で光っていればそこに物質があるのがわかります。また月や部屋の中のものも太陽や電灯の光が当たれば反射して目にやってくるので「見える」=「そこに物体があるのが認識できる」ことになります。
もし月が太陽の光を全く反射せず素通しのガラスのような物体でできていれば、私たちは夜空に月があるとは気付きません。月が遠くの星の前を横切っても星の光が素通りして目にやってくれば月の存在はわかりません。これが見えない=ダーク という意味です。

地球上にいると潮の干満があり満潮と干潮では水位が変わります。また大潮と小潮があって、これは太陽の重力(潮汐力)では説明ができません。
どうやら地球の周囲には目に見えない重力源があって海水を動かしているに違いない、また地球の自転速度にも影響を及ぼしているのだがそれがどこにあるのか、おおよその方向や位置がわかってもどうやっても見えない。もし月がダークマターならこんな感じです。
月の位置を正確に知るには遠くの星の光が重力によってわずかに曲げられるのを観測するしかありません。

光と言いましたが、光は電磁波の一種です。ガンマ線、X線、紫外線、赤外線、電波と呼び名は違っても本質はすべて光と同じものです。電波はTVやスマホなど目の前を飛び交っていますが人の眼に感じない光なのです。それでもアンテナやX線フィルムなどを使えば感じることができるのですが、ダークマターは電磁波を出さない(出すかもしれませんが非常に微弱)ので観測する方法がないのです。

それでもダークマターは電磁波を出す物質(つまり望遠鏡や電波望遠鏡などで観測できる)の何倍もの質量があるらしいことがわかっていて、ダークマターが存在すると仮定しないと宇宙の大規模構造や銀河の回転運動などを説明できませんが正体は不明なのです。
理論的にありうる候補をいくつか考えて、それをとらえる実験はされていますが、候補が本命なのかどうかすらわかっていません。

  • ele********さん

    2019/1/114:21:30

    ダークマターの候補はいくつかあります
    MACHO(マチョ)は通常の物質でできている天体で、冷たくて小さいので電磁波をほとんど出さず暗い天体のことです。しかし銀河質量の何倍も多いはずがないというのが現在の多数派です。未発見の天体はまだまだ多くみつかるはずですが、1個が軽いのでたいした質量にはなりません。
    ニュートリノ、質量が無いと思われていたニュートリノが微少な質量をもつとわかってダークマター候補になりましたがダークマターはニュートリノのように高速で動かないことがわかり最重要候補から外れています。
    アキシオン、低速なためコールドダークマターの代表ですが理論的には存在しますがそんなものが見つかったり作られたりしたことはありません。仮説の粒子です。
    その他 候補はいくらでもありますがあくまで候補です。もし目の前にダークマターがあっても気がつかないかもしれません。

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質問した人からのコメント

2019/1/1 17:21:20

とてもわかりやすく詳しい説明ありがとうございます。ネットで調べても、情報や専門用語が多すぎて理解ができなかったので助かりました。

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aka********さん

2019/1/113:58:37

宇宙を構成する要素の30%は物質(5%が人間が認識している原子から成る物質で、残り25%がダークマター)で、
残り70%は暗黒エネルギー(ダークエネルギー)だと考えられています。



見えない物質:ダークマター(暗黒物質)
候補は上がっているが、詳細は未解明です。

これと共に、
ダークエネルギー(暗黒エネルギー)がありますが、こちらは全くの未解明です。


望遠鏡で星が見えるのは、その星が光(可視光)を放っているからです。
電波を放っていれば、電波望遠鏡で見ることができます。

中には、赤外線や紫外線、エックス線を放つ天体もあます。
これらは、赤外線望遠鏡、紫外線望遠鏡、エックス線望遠鏡を使って観測すればいいのです。

可視光、電波、赤外線、紫外線、エックス線などをまとめて電磁波といいます。
天体は、何らかの電磁波を放っているのです。
つまり、天体を観測するとは、その天体の放つ電磁波を観測していることになるのです。

ところが、電磁波を放たない天体があるのです。
これがダークマターなのです。
暗黒物質ともいいます。

ダークマターは、光も電波もエックス線も放たない。
電磁波を放たないのだから、観測できない。
つまり、まったく見えないのです。

見えないダークマターが、なぜ存在することがわかるのか?
それは、他の天体のようにダークマターが引力を持っているからです。

銀河の運動をよく観察すると、見えている物質だけでは説明不可能な挙動があります。
ダークマターの引力によって、銀河の動きが影響をうけているのです。

この原因は、
MACHOではないかと思われています。
MACHO(マッチョ)とは、
白色矮星、中性子星、褐色矮星、小型のブラックホール
これらは、質量はあるが、光で検出することが難しいのです。
このため、なかなか観測にかからないのです。

又はWIMPs(ウインプ)は、電磁気的な相互作用をほとんど起こさず、電磁波では検出できない粒子からできている「冷たい暗黒物質」のことです。

http://www.astronomy.orino.net/site/kataru/qa/011.html

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