宇宙で光で観測できる物質は5%にすぎず、その5倍に当たる27%は光を発せず物体を引きつける暗黒物質とされている。では暗黒物質も一般の物質と同じ力学法則に従うのか、それともまだ発見されていない新たな力を受けるのか。
科学者がこの問いに初めて明確な答えを示した。スイスのジュネーブ大学とスペインの宇宙科学研究所の研究陣は、暗黒物質が通常の物質と同一の運動法則に従う事実を確認したと3日（現地時間）、国際学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ（Nature Communications）」に発表した。
宇宙を支配する力は重力と強力、弱力、電磁気力の四つである。強い核力、すなわち強力は原子核を構成する陽子や中性子のような粒子間に作用する力で、四つの基本的な力の中で最も強い力である。
次が電荷をもつ物体間で作用する電磁気力で、三番目は原子核の崩壊で現れる短距離で作用する弱力である。質量を持つ二つの物体間に作用する重力が最も弱い。
これまで学界は暗黒物質も通常の物質と同様に重力に支配されるとみてきた。しかし重力に加えて未知の第五の力が働きうるという主張もあった。どちらの主張も検証は容易ではなかった。暗黒物質は直接見ることができないためである.
今回の研究陣は代わりに銀河の速度を指標に据えた。銀河は大部分が暗黒物質で構成されているため、どこへどれほど速く移動するかは暗黒物質が左右する。研究陣は質量が非常に大きい天体が時空を曲げて生じた「重力の井戸」に銀河が落ち込むと、どのように移動するかを分析した。
研究陣は宇宙がはるかに若かった30億〜70億年前を調べた。この区間の銀河の速度と重力の井戸の値を再構成して暗黒物質の移動規則を分析した結果、暗黒物質は通常の物質と同様にオイラー方程式が予測する経路にそのまま従っていた。オイラー方程式は粘性力を考慮せず、重力のような外部力によって流体の運動を表す方程式である。すなわち暗黒物質は重力だけで動いていたということだ。
研究陣はそもそも第五の力が存在すると仮定しても分析を進めた。その結果、このような力があったとしても影響力は極めて微弱だという結論に至った。重力と同じ方向に作用する場合は重力の最大7%、反対方向に作用する場合は重力の最大21%にとどまると示された。
研究陣は「それより強ければ銀河の運動にすでに表れていたはずだ」としつつも、「ただし証拠がないからといって存在しないという意味ではない」と述べ、含みを残した。
研究陣は今後、ベラ・ルービン天文台のLSST（大規模光学サーベイ）、米国DESI（暗黒物質分光器）など次世代観測プログラムで、より精密な観測が可能になると期待した。LSSTは広い空を反復撮影し、銀河の位置と明るさの変化を高感度で捉える。DESIはスペクトル分析で銀河までの距離と速度を精密に測定する。これらの装置が本格稼働すれば、第五の力が重力の2%水準でも検知できると研究陣は期待した。
参考資料
Nature Communications（2025）、DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65100-8