宇宙初期における暗黒物質の超相対論的分離：新たな理論モデルが提示される

2026年1月、学術誌『フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）』において、暗黒物質（ダークマター）の形成に関する従来の宇宙論的な定説を根底から再考する画期的な研究論文が発表されました。ミネソタ大学ツインシティー校およびパリ・サクレー大学の研究チームは、暗黒物質が宇宙の極めて初期段階において「超相対論的」あるいは「超高温」の状態で周囲から分離した可能性を示唆する新しいモデルを提示しました。この理論の核心は、暗黒物質が非常に高温の状態で誕生したとしても、その後の宇宙膨張の中で、冷たい暗黒物質として大規模構造を形成するために必要な温度まで十分に冷却される時間が存在するという点にあります。

本研究は、インフレーション後の再加熱期において、暗黒物質が「凍結」して宇宙の熱いスープから分離する瞬間に、すでに冷えた状態でなければならないという長年のポストレート（仮定）に疑問を投げかけるものです。歴史的に、低質量のニュートリノに代表されるような「熱い暗黒物質」は、宇宙の銀河形成などの大規模構造を抑制してしまうという欠点が指摘されてきました。ミネソタ大学のキース・オリーブ教授は、このような構造進化の抑制という物理的制約から、暗黒物質の初期状態には厳しい制限があると繰り返し主張してきました。

論文の筆頭著者であるミネソタ大学物理天文学科の博士課程学生、スティーブン・ヘンリッチ氏は、重力による宇宙の構造形成を説明するためには、最終的に暗黒物質が「冷たい」状態である必要があるものの、原始宇宙における最初の分離の瞬間にまでその条件を遡らせる必要はないと説明しています。研究チームは、インフレーション直後の高エネルギー期における暗黒物質の生成メカニズムを詳細に分析しました。その結果、たとえ超相対論的な分離が起きたとしても、実際に宇宙の構造形成が始まるまでの間に暗黒物質が熱を失い、既存の観測データと矛盾しないレベルまで冷却されるプロセスが理論的に証明されました。

共著者の一人であるパリ・サクレー大学のヤン・マンブリニ教授は、この研究成果がビッグバンに極めて近い宇宙の黎明期を解明するための新たな窓を開くと述べています。理論的な計算によれば、数千電子ボルト（eV）以上の質量を持つ暗黒物質粒子であれば、宇宙構造の成長が本格化する時期までに約1電子ボルト程度まで冷却されることが示されました。これは、最新の銀河サーベイや宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の精密測定から得られた厳格な制限値とも完全に合致するものです。この発見により、WIMP（弱く相互作用する重い粒子）やFIMP（さらに弱く相互作用する粒子）を含む、暗黒物質モデルの許容されるパラメータ空間が大幅に拡大することになります。

欧州連合（EU）の「ホライゾン2020」プログラムによるマリー・スクウォドフスカ＝キュリー・グラントの支援を受けたこの理論的進展は、今後、実証的な検証のフェーズへと移行します。研究チームは、粒子加速器を用いた衝突実験、地下深部での散乱実験、さらには最新の天体物理学的な観測装置を通じて、この超相対論的分離の仮説を検証する計画を立てています。本研究は、初期宇宙における混沌とした再加熱期が、暗黒物質の最終的な物理的特性を決定する上で、これまで想定されていた以上に決定的な役割を果たしているという、より柔軟でダイナミックな宇宙観を提示しています。