銀河の回転曲線問題：ダークマターか、それとも修正重力か？
見えない物質の証拠：銀河の奇妙な回転
私たちが宇宙を理解する上で、いまだに多くの謎が残されています。その中でも特に深遠な謎の一つに、宇宙の主要な構成要素である「ダークマター」と「ダークエネルギー」の存在があります。今回は、この見えない物質の存在を示す最も有力な証拠の一つとされる、「銀河の回転曲線問題」についてご紹介し、それがどのように宇宙の謎に迫る鍵となっているのかを解説いたします。
銀河の回転は「予測通り」ではない
天文学者たちは、銀河の中の星やガスの動きを観測することで、その銀河がどのように回転しているかを調べています。銀河の中心には多くの星やガスが集まっており、外側に行くほどその密度は低くなります。ニュートンの万有引力の法則によれば、銀河の中心から遠く離れた場所にある星ほど、受ける引力は弱くなるはずです。そのため、惑星が太陽の周りを公転するのと同じように、銀河の外側にある星ほどゆっくりと回転すると予測されます。
しかし、実際の観測結果は、この予測と大きく異なっていました。多くの銀河において、中心から遠く離れた外縁部にある星々が、内側の星々とほとんど同じ速さで回転していることが分かったのです。この、距離に応じて回転速度が低下しないという観測結果を図にすると、理論的な予測から大きく外れた平坦な曲線になることから、「銀河の回転曲線問題」と呼ばれています。
まるで、遠くの星が中心部から強い力で引っ張られているかのように見えるのです。この「見えない力」の源は何なのでしょうか？
ダークマターによる説明
この回転曲線問題を説明するために提唱されたのが、「ダークマター」という見えない物質の存在です。ダークマターは光とほとんど相互作用しないため直接見えませんが、質量を持つため重力を介して周囲の物質に影響を与えます。
もし、私たちが観測できる通常の物質（星、ガス、塵など）だけでなく、その何倍もの量のダークマターが銀河を取り囲むように広がっているとしたらどうでしょうか？ このダークマターは、銀河の中心から遠く離れた場所にも多く存在するため、外縁部の星やガスに対しても強い重力を及ぼすことができます。
シミュレーションによると、銀河の周りに球状のダークマターのハロー（見えない塊）が存在すると仮定すると、観測された平坦な回転曲線をうまく説明できることが示されています。このダークマターの仮説は、銀河だけでなく、銀河団の振る舞いや宇宙の大規模構造の形成など、様々な宇宙の観測事実を説明するためにも非常に有効です。銀河の回転曲線問題は、ダークマターの存在を強く支持する最も初期かつ有力な証拠の一つとされています。
もう一つの可能性：修正重力理論
一方で、ダークマターの存在を仮定するのではなく、私たちの重力に関する理解そのものが、銀河スケールやそれ以上の大きなスケールで不完全であると考える科学者もいます。これが「修正重力理論」と呼ばれる考え方です。
最も有名な修正重力理論の一つに「修正ニュートン力学（MOND：Modified Newtonian Dynamics）」があります。これは、非常に小さな加速度（すなわち、重力が非常に弱い場所）では、ニュートンの万有引力の法則が少しだけ修正されると仮定するものです。この修正によって、銀河の外縁部での重力が強化され、観測される回転曲線をダークマターなしで説明しようと試みます。
修正重力理論は、個々の銀河の回転曲線に関してはダークマターモデルと同様、あるいは場合によってはよりうまく説明できる場合もあります。ダークマターが直接検出されないことや、銀河中心部でのダークマター密度の予測との食い違い（コア・カスプ問題）など、ダークマターモデルにも課題があるため、修正重力理論も有力な代替案として研究されています。
最新の研究と今後の展望
現在でも、この回転曲線問題は活発な研究対象です。天文学者たちは、様々なタイプの銀河（矮小銀河から巨大銀河まで）の回転曲線を精密に測定し、ダークマターモデルと修正重力理論の予測と比較しています。
最新の観測データは、ダークマターモデルを強く支持するものが多い一方で、修正重力理論が特定の銀河の振る舞いをうまく説明できる事例も存在します。また、銀河団や宇宙論的スケールでの観測（宇宙マイクロ波背景放射の観測や大規模構造の観測など）は、現在のところダークマターの存在を強く示唆しており、単純な修正重力理論だけでは説明が難しい状況です。
銀河の回転曲線問題は、私たちが見ることのできる物質だけでは宇宙の重力的な振る舞いを完全に説明できないことを明確に示しました。その解決策が、未知なる物質「ダークマター」の存在なのか、それとも重力法則そのものの修正なのかは、未だ最終的な結論が出ていません。
高精度な観測装置を用いたさらなるデータ取得や、より洗練された理論モデルの構築を通じて、この深遠な謎に迫る探求は続いています。銀河の回転という身近（宇宙スケールで言えば、ですが）な現象が、宇宙の根源的な姿を明らかにする鍵となっているのです。