MOND理論入門：ダークマターなき宇宙の可能性

導入：宇宙の常識「暗黒物質」は本当に存在するのか？

皆さんが学生時代に習った、ニュートンの万有引力の法則。この宇宙の基本的なルールが、実は宇宙の大部分では通用しないとしたら、少しワクワクしませんか？

現在の宇宙論では、私たちが直接観測できる物質（原子）は、宇宙全体のわずか5%に過ぎないと言われています。残りの約27%が「暗黒物質（ダークマター）」、約68%が「ダークエネルギー」。そのほとんどが正体不明のナゾの存在です。

特に暗黒物質は、銀河の動きなど、数々の観測事実を説明するために考案された”見えない重力源”ですが、誰もその正体を掴めていません。

しかし、もしその存在を仮定せず、我々の知る「物理法則」の方を少しだけ修正するだけで、すべての謎が解けるとしたら…？

この記事では、暗黒物質に代わる有力な対抗馬「MOND（修正ニュートン力学）」の基本から、その成功と課題、そして現代宇宙論の最前線までを、初心者にも分かりやすく解説します。常識を疑う科学の面白さに、一緒に迫っていきましょう。

第1章：すべての始まり – なぜ天文学者は「見えない何か」を探し始めたのか？

話は1970年代に遡ります。天文学者たちは、銀河を回る星々の速度を観測していて、奇妙な事実に気づきました。

太陽系では、中心の太陽から遠い惑星ほど、重力が弱まるため公転速度は遅くなります。同じように、銀河でも中心から離れた星の回転速度は、だんだん遅くなるはずでした。なぜなら、光って見える星やガス、つまり銀河の質量の大部分は、中心部に集まっているからです。

ところが、実際の観測結果は全くの別物でした。
アメリカの天文学者ヴェラ・ルービンらが明らかにしたのは、銀河の外縁部にある星々が、予測よりもはるかに速い速度で、しかも距離によらずほぼ一定の速度で回転しているという衝撃の事実だったのです。

これは「銀河の回転曲線問題」と呼ばれ、天文学界を揺るがす大問題となりました。もしニュートン力学が正しければ、銀河は自らの回転スピードに耐えきれず、バラバラに壊れてしまうはずでした。

この矛盾を解決するため、科学者たちはこう考えます。「目に見える物質の他に、光では観測できないが質量を持ち、強力な重力で星々を繋ぎ止めている”見えない何か”が、銀河を包むように大量に存在しているに違いない」。

これが、現代宇宙論の主役ともいえる「暗黒物質」の誕生でした。

この”見えない何か”の正体として、ほとんどの科学者が暗黒物質を信じる中、たった一人、全く別の可能性を考えた物理学者がいました。彼のアイデアは、宇宙の常識を根底から覆すものだったのです。

第2章：暗黒物質への挑戦状 – 「MOND理論」の核心に迫る

暗黒物質という、いわば”何でも説明できてしまう魔法の杖”のような存在に、科学者として純粋な疑問を抱いた人物がいました。イスラエルの物理学者モルデハイ・ミルグロムです。彼はこう考えました。

この批判的な精神こそが、1983年に提唱された「修正ニュートン力学（Modified Newtonian Dynamics）」、その頭文字をとって「MOND（モンド）」誕生の原動力でした。

MONDの核心的なアイデアは、驚くほどシンプルです。それは、ニュートンの運動の法則（F=ma）に、「加速度がとてつもなく小さいとき」という特定の条件下でだけ、わずかな修正を加えるというものです。

私たちの日常や太陽系内では、物体は比較的大きな力で引っ張られ、大きな加速度で動いています。しかし、問題の銀河の外縁部では、中心からの重力が非常に弱く、加速度が極めて小さい世界なのです。

MOND理論には、a₀（エー・ゼロ）という物理法則が切り替わる”境界線”が登場します。

• 加速度が a₀ よりずっと大きい世界 (私たちの身の回り)
  法則は、おなじみのニュートン力学のまま (F = ma)。
• 加速度が a₀ よりずっと小さい世界 (銀河の外縁部など)
  法則がMONDの形 (F = m(a²/a₀)) へと姿を変えます。
  例えるなら「燃費が極端に良くなる」ようなものです。MONDの世界では、アクセルをほんの少し踏み込む（非常に小さな力）だけで、スルスルと速度が上がっていく（大きな加速度）イメージです。

この”宇宙規模の超低燃費”状態が、暗黒物質という”見えない重り”の助けを一切借りずに、銀河の高速回転をピタリと説明してしまうのです。

つまりMONDとは、「未知の物質」を加えるのではなく、「既知の法則」を疑うアプローチなのです。

しかし、MONDは単なる後付けの説明理論ではありません。驚くべきことに、いくつかの「予言」を的中させてきました。次章では、MONDの輝かしい成功と、同時に立ちはだかる高い壁について、さらに詳しく見ていきましょう。

第3章：MONDの輝かしい成功と、立ちはだかる高い壁

MONDが一部の科学者から熱烈な支持を受ける理由は、ただ銀河の回転曲線をうまく説明できるからだけではありません。

MONDの輝かしい成功

1. 驚異的な汎用性: 暗黒物質モデルでは、銀河の形に合わせて暗黒物質の量や分布を調整（チューニング）する必要があります。一方MONDは、a₀というたった一つの普遍的な定数を使うだけで、多種多様な銀河の回転速度を驚くほど正確に説明できてしまいます。
2. タリー・フィッシャー関係の予言: 銀河には、その光度（質量の目安）と回転速度の間に「タリー・フィッシャー関係」という奇妙な経験則があることが知られていました。暗黒物質モデルではこれは偶然の関係ですが、MONDは理論的にこの関係式を寸分違わず導き出すことができます。これは単なる説明ではなく「予言の的中」であり、MONDの大きな功績とされています。

立ちはだかる高い壁

銀河スケールでは無類の強さを誇るMOND。しかし、その視点をさらに大きな宇宙、銀河団（数百～数千の銀河の集まり）へと移したとき、MONDは予想外の壁にぶつかることになります。

1. 銀河団の質量欠損問題: 銀河団内部での銀河の動きをMONDで計算しても、観測されている速度を説明するには力が足りません。MONDを適用してもなお、説明のつかない「見えない質量」が大量に必要になってしまうのです。
2. 弾丸銀河団: 2つの銀河団が衝突した「弾丸銀河団」は、MONDにとって最大の難敵です。観測によると、衝突時に通常の物質（ガス）は中央で衝突し留まっているのに対し、重力レンズ効果で測定された質量の中心は、ガスとは全く別の場所にあります。これは「通常の物質と”見えない重力源”が分離した決定的証拠」とされ、暗黒物質の存在を強く示唆する一方で、MONDでは説明が極めて困難です。

銀河スケールでの鮮やかな成功と、銀河団スケールでの深刻な課題。この二面性が、MONDを巡る論争をより複雑で興味深いものにしています。果たして、現代宇宙論の主流派は、この状況をどう見ているのでしょうか？

第4章：決着はまだ早い！MOND vs 暗黒物質、宇宙論の最前線

現在の宇宙論の標準モデルは「Λ-CDM（ラムダ・シーディーエム）モデル」と呼ばれています。これは、宇宙の膨張を加速させる謎のエネルギー「ダークエネルギー（Λ）」と、冷たい（Cold）「暗黒物質（Dark Matter）」の存在を前提とした理論体系です。

Λ-CDMモデルは、宇宙の始まりの光である「宇宙マイクロ波背景放射」の温度のムラや、銀河が網の目のように連なる「宇宙の大規模構造」の形成を見事に説明し、大きな成功を収めています。だからこそ、ほとんどの物理学者は暗黒物質の存在を信じ、その正体を突き止めようと研究を続けているのです。

しかし、この標準モデルも完璧ではありません。銀河スケールのいくつかの現象（衛星銀河問題など）で理論と観測の間に食い違いが指摘されており、そして何より、暗黒物質の正体は100年近く経った今も全く分かっていません。

現在の論争の状況

• 暗黒物質 (Λ-CDM) 陣営 (主流派):
  • 強み: 宇宙全体の進化をうまく説明できる。弾丸銀河団など、存在を示唆する間接的証拠が豊富。
  • 弱み: 正体が全く不明。銀河スケールのいくつかの現象をうまく説明できない。
• MOND 陣営 (挑戦者):
  • 強み: 銀河スケールでの予測精度が非常に高い。未知の粒子を必要としない。
  • 弱み: 銀河団以上のスケールでは破綻する。相対性理論との統合など、理論的な課題が残る。

決着はまだついていません。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による初期宇宙の観測では、Λ-CDMモデルの予測よりも早く成長した銀河が見つかるなど、新たな謎も次々と生まれています。どちらかの理論が修正されるのか、あるいは両者を統合する全く新しい物理学が登場するのか。まさに今、私たちは科学史の転換点にいるのかもしれません。

まとめ：MONDが教えてくれる、科学の本当の面白さ

MOND理論を巡る旅、いかがでしたでしょうか。

現時点では、より多くの現象を説明できる暗黒物質モデルに軍配が上がっているように見えます。しかし、MONDが突きつけた「法則は絶対ではないのかもしれない」という鋭い問いは、今もなお宇宙論の最前線で重く響いています。

MONDが最終的に正しい理論となるかは、まだ誰にも分かりません。しかし、その存在意義は、単なる正誤を超えたところにあります。

宇宙の謎への探求は、まだ始まったばかり。この記事が、あなたの知的好奇心をさらに深め、夜空を見上げる視点を少しだけ変えるきっかけとなったなら、これほど嬉しいことはありません。