銀河を曲げる隠れた力の兆候はなかった

宇宙膨張の最近の測定は、固定された宇宙定数ではなく、時間とともに変化する暗黒エネルギーの余地を残している。提案されている説明の一つは、暗黒エネルギーが暗黒物質と相互作用するというものだ。そうなると、すべてのものは同じように落ちるという物理学の柱、等価原理が破れることになる。ただし、破れるのは暗黒セクターの中だけだ。

こうしたモデルからは、暗黒物質だけに働く第五の力が生じる。等価原理の実験室での検証は10¹³分の1から10¹⁵分の1の精度に達しているが、その仕組み上、普通の物質を無視する力は見ることができない。これまでの最良の上限は宇宙論から得られたもので、重力の1000分の数程度だった。最新のデータの解釈のなかには、その程度の大きさの力をむしろ支持するものさえある。

取り残される円盤

ポーツマス大学のHarry Desmondとオックスフォード大学のPedro G. Ferreiraは、その力を銀河の内部に探した。渦巻銀河は、星とガスの円盤が、はるかに大きな暗黒物質のハローの中に収まったものだ。もし第五の力がハローを近くの構造のほうへ引き寄せ、星は引き寄せないとすれば、ハローが先に動き、円盤は数十パーセクほど取り残される。

円盤はハローに束縛されたままだが、ハローが元に戻そうとする引力は外側ほど弱くなる。そのため外側の星は内側の星よりも大きくずれなければならず、円盤はU字形、つまり力と反対側に開いたお椀の形に曲がる。お椀の深さは、力の強さにぴったり比例する。

暗黒物質だけに働く力が円盤を曲げる仕組み：ハローが引き離され（緑の矢印）、円盤は中心からずれた位置に落ち着いてU字形に反り返る。— Figure 1, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

真横を向いた数千の円盤

予測されるゆがみは、どの銀河一つをとっても見えないほど小さく、しかも現実の銀河はさまざまなありふれた原因でゆがんでいる。そこで検証は統計的に行われる。著者らは、スローン・デジタル・スカイサーベイの画像で真横を向いた3,968個の円盤の中心線を測定した。用いた指標はU字形の曲がりにだけ反応し、渦巻銀河によく見られるS字形のゆがみは無視する。

290メガパーセクまでの近傍宇宙の物質分布の地図から、彼らはそれぞれの銀河が受けるはずの第五の力の向きと強さを計算した。もし力が存在するなら、ゆがみはこれらの予測とそろうはずだ。

そろわなかった。測定されたゆがみには予測された相関の兆候がまったくなく、ごくわずかに逆向きに傾いてさえいた。著者らはこの効果が、ほぼすべて、画像に手前の星が写り込んだままだった一つの銀河によるものだと突き止めている。

3倍厳しい上限

結果は上限値として示される。到達距離が8メガパーセク以上の場合、第五の力は重力の7.7 × 10⁻⁴倍より弱くなければならない（95%信用度）。仮定を15通りに変えて検証したうえで、著者らは控えめな上限として1.7 × 10⁻³を挙げている。

暗黒セクターの力について、強さと到達距離の関係で除外された領域（灰色）。右側は到達距離が無限大の場合で、DESIデータのフィットで支持されたいくつかの値（青、紫）が新しい上限より上にある。— Figure 3, Desmond & Ferreira (2026), arXiv:2610.24618, CC BY 4.0.

到達距離が事実上無限大の場合、控えめな上限でさえ、最も厳しい宇宙論的制限より3倍強力で、これまでの天体物理学的検証より43〜360倍強力だ。これにより、DESIサーベイのデータに相互作用する暗黒エネルギーを当てはめた最近のいくつかのフィットが支持する結合の強さは、約2〜3シグマで不利になる。

二つの手法は互いに補い合う。宇宙論的な上限は、その場が宇宙の歴史を通じてどう振る舞ったかに左右される。一方、ゆがみを使った検証は、暗黒物質に現在働いている力を測る。中間的な到達距離では、最も単純なモデルについての宇宙論的解析のほうが、今回の控えめな上限より依然として厳しい制限を与える。

抜け道

理論は、「遮蔽（screening）」の仕組みによって、銀河の内部で力を隠すことがまだできる。著者らは、よく知られた種類の遮蔽では、力を宇宙論にとって意味のある大きさに保ったまま隠すことはできないと示した。より風変わりな二つの選択肢、ヴァインシュタイン遮蔽といわゆるディスフォーマル結合は残っており、今後の研究に委ねられている。それまでのあいだ、相互作用する暗黒エネルギーのフィットでは重力の1.7 × 10⁻³倍を上限として扱うべきだと、著者らは提案している。