ダークマターはビッグバンの時に作られたブラックホールなのでしょうか？

2020年9月27日午前8時

スティーブン・ホーキングはかつて、目に見えない「原始」ブラックホールが隠された暗黒物質である可能性があると提唱しました。一連の新たな研究は、その可能性を示しています。

ブラックホールはサメのようだ。優雅でシンプル、そして一般の想像以上に恐ろしく、私たちの周りの深く暗い場所に潜んでいるかもしれない。

ブラックホールは暗黒すぎるため、宇宙にどれだけの数のブラックホールが存在し、その大きさはどれほどなのかを推定するのは困難です。そのため、2015年9月にレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の検出器から最初の重力波が轟音を立てて通過した時は、まさに驚きでした。それまで、恒星サイズのブラックホールの質量は最大でも太陽の約20倍でした。今回観測されたブラックホールは、それぞれ約30太陽質量でした。考えられないほどではないものの、奇妙な現象です。さらに、LIGOが稼働し始めてすぐに、この種の天体が互いに合体する音が聞こえ始めたことで、天体物理学者たちは、宇宙にはこれまで考えられていたよりもはるかに多くのブラックホールが潜んでいるに違いないことに気づきました。もしかしたら、はるかに多いかもしれません。

これらの奇妙な標本の発見は、近年は片隅に追いやられていた古い考えに新たな命を吹き込んだ。死にゆく星がブラックホールを作ることは知られている。しかし、ブラックホールはビッグバンそのものの過程でも生まれたのかもしれない。こうした「原始的」ブラックホールの隠れた集団が、宇宙スケールにおける隠れた指標である暗黒物質を構成している可能性もある。結局のところ、何十年にもわたる探査にもかかわらず、暗黒物質粒子は現れていない。もし私たちが本当に必要とする材料、つまりブラックホールが、ずっと私たちの目の前にあったとしたらどうだろう？

「確かに、突飛なアイデアだった」と、ジョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者マーク・カミオンコウスキー氏は言う。同氏のグループは2016年にこの可能性を探る多くの注目を集めた論文の一つを発表した。「だが、必ずしも他の何よりも突飛だったわけではない」

残念ながら、原始ブラックホールへの関心は2017年に冷めてしまった。ニューヨーク大学の天体物理学者で、以前は楽観的なカミオンコフスキーチームに所属していたヤシーン・アリ＝ハイムード氏が、この種のブラックホールがLIGOの検出率にどのような影響を与えるかを検証した論文を発表したのだ。アリ＝ハイムード氏の計算によると、生まれたばかりの宇宙が暗黒物質を説明できるだけのブラックホールを大量に生み出した場合、これらのブラックホールは時間の経過とともに連星系を形成し、互いにどんどん接近して周回し、LIGOの観測値の数千倍もの速度で合体するだろうという。アリ＝ハイムード氏は他の研究者たちに、別のアプローチを用いてこの仮説の調査を続けるよう促した。しかし、多くの人が希望を失った。この議論はあまりにも痛烈だったため、カミオンコフスキー氏自身もこの仮説への関心を失ったという。

しかし今、最近の一連の論文を受けて、原始ブラックホールの考えが復活したようだ。先週、Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsに掲載された最新の論文の一つで、モンペリエ大学の宇宙学者カーステン・ジェダムジク氏は、多数の原始ブラックホールがLIGOの観測と完全に一致する衝突を引き起こす可能性があることを示した。「彼の結果が正しければ ― そしてそれは彼の行った慎重な計算のようだ ― それは我々自身の計算の棺に最後の釘を打ち込むことになるだろう」と、その後の論文でも原始ブラックホールの考えを取り上げ続けているアリ＝ハイムード氏は述べた。「それは、実際にはそれらがすべてダークマターである可能性があることを意味することになるだろう。」

「とても興奮しています」と、ジェダムジク氏の議論の一部にインスピレーションを与えたサセックス大学の宇宙学者クリスチャン・バーンズ氏は述べた。「彼はこれまで誰も到達できなかった先へと進んだのです。」

元々のアイデアは、1970年代のスティーブン・ホーキングとバーナード・カーの研究に遡ります。ホーキングとカーは、宇宙が誕生した最初のほんの一瞬の間に、密度の小さな変動によって、幸運な（あるいは不運な）領域に過剰な質量が与えられた可能性があると推論しました。これらの領域はそれぞれ、ブラックホールへと崩壊します。ブラックホールの大きさは、その領域の地平線、つまり光速で到達可能な任意の点の周囲の空間の区画によって決まります。地平線内の物質はブラックホールの重力を感じ、ブラックホールに落ち込みます。ホーキングの大まかな計算によれば、ブラックホールが小さな小惑星よりも大きい場合、今日でも宇宙に潜んでいる可能性が高いことが示されました。

1990年代にはさらなる進歩がありました。当時、理論家たちは宇宙インフレーション理論も提唱していました。これは、宇宙がビッグバン直後に急激な膨張を経験したというものです。インフレーション理論は、初期の密度変動がどこから来たのかを説明できる可能性があります。

物理学者たちは、こうした密度の変動に加えて、崩壊を促す重要な遷移も考慮した。

宇宙が誕生したばかりの頃、その物質とエネルギーはすべて、想像を絶するほど高温のプラズマの中で沸き立っていました。最初の10万分の1秒ほどが過ぎると、宇宙は少し冷え、プラズマ中のばらばらのクォークとグルーオンが結合してより重い粒子になることができました。電光石火の速さで動く粒子の一部が束縛されたことで、圧力が低下しました。これにより、より多くの領域がブラックホールへと崩壊した可能性があります。

しかし1990年代当時、クォークとグルーオンからなる流体の物理を十分に理解し、この遷移がブラックホールの生成にどのような影響を与えるかを正確に予測できる人は誰もいませんでした。理論家たちは、原始ブラックホールの質量がどれほどであるべきか、あるいはどれほどの数が存在すると予想されるかを予測することができませんでした。

さらに、宇宙論者たちは原始ブラックホールを本当に必要としていたわけではないようだった。天文学的な調査では、天の川銀河の外縁に浮かぶブラックホールのような高密度で暗い天体の海を見つけようと、空を部分的にスキャンしたが、それほど多くは見つからなかった。その代わりに、ほとんどの宇宙論者は、暗黒物質はWIMPと呼ばれる極めて内気な粒子でできていると考えるようになった。そして、専用のWIMP検出器か、近々建設される大型ハドロン衝突型加速器によって、近いうちにWIMPの確固たる証拠が見つかるだろうという期待が高まった。

暗黒物質問題が終結寸前で、観測結果がそれを示唆するものがなかったため、原始ブラックホールは学問の片隅に追いやられた。「ある上級宇宙論研究者は、私がその研究をしていることを嘲笑しました」と、1990年代に自身の研究への関心を遡るジェダムジク氏は語る。「それで、私は研究をやめました。永続的な地位が必要だったからです」

もちろん、その後数十年の間にWIMPは発見されておらず、新しい粒子も（長らく予言されていたヒッグス粒子を除いて）発見されていません。暗黒物質は依然として未知のままです。

しかし、原始ブラックホールを生み出した可能性のある環境については、今日でははるかに多くのことが分かっています。物理学者たちは今や、宇宙の始まりにおけるクォーク・グルーオン・プラズマから圧力と密度がどのように進化したかを計算できます。「この解明には、コミュニティが数十年かかりました」とバーンズ氏は言います。こうした情報を得たバーンズ氏やマドリード自治大学のフアン・ガルシア＝ベリド氏などの理論家たちは、ここ数年、初期宇宙では単一サイズのブラックホールだけでなく、様々なサイズのブラックホールが生み出された可能性があると予測する研究を発表してきました。

まず、クォークとグルーオンが陽子と中性子に接着されました。これにより圧力が低下し、原始ブラックホール群が形成された可能性があります。宇宙が冷え続けると、パイ中間子などの粒子が形成され、再び圧力が低下し、ブラックホールが爆発する可能性があります。

これらの時代の間に、宇宙自体が膨張しました。最初のブラックホールは、周囲の地平線から太陽質量の約1倍の物質を吸い込むことができました。2回目のブラックホールは、おそらく太陽質量の約30倍もの物質を吸い込むことができました。LIGOが初めて観測した奇妙な天体とよく似ています。「重力波が私たちを救ってくれました」とガルシア＝ベリド氏は言います。

2016年にLIGOが最初の重力波観測を発表してから数週間後、原始ブラックホール仮説は再び注目を集めました。しかし翌年、アリ＝ハイムードは原始ブラックホールの衝突頻度が高すぎるという主張を発表し、支持者たちにとって乗り越えるべき大きなハードルとなりました。

ジェダムジクは挑戦に挑んだ。コスタリカでの長期休暇中に、彼はアリ＝ハイムードの議論を検証した。アリ＝ハイムードは方程式を用いて解析的に研究を進めていた。しかし、ジェダムジクが同じ問題の数値シミュレーションを作成したところ、ひねりが加わっていることに気づいた。

原始ブラックホールは確かに連星系を形成する。しかしジェダムジクは、ブラックホールが溢れる宇宙では、3つ目のブラックホールが最初のブラックホールに接近し、どちらか一方と位置を交換することがよくあると結論付けた。このプロセスは何度も繰り返されるだろう。

時間の経過とともに、パートナーからパートナーへと揺らぎ続けることで、連星ブラックホールはほぼ円軌道を描きます。これらのパートナーは衝突が非常に遅くなります。たとえ膨大な数の原始ブラックホールが存在したとしても、合体は非常に稀なため、この仮説全体はLIGOが観測する合体率の範囲内に収まります。

彼は今年6月に自身の論文をオンラインに投稿し、アリ＝ハイムード氏自身をはじめとする外部の専門家からの質問に答えた。「コミュニティに、自分がただナンセンスを言っているのではないと、できる限り納得してもらうことが非常に重要でした」とジェダムジク氏は、「ナンセンス」という言葉よりも強い言葉で述べた。

彼はまた、原始ブラックホールは太陽と最も近い恒星との距離とほぼ同じ直径を持つ暗黒星団を形成すると予測した研究を基に、この仮説を推し進めた。これらの星団には、約1000個のブラックホールが密集している可能性がある。太陽の30倍の質量を持つ巨大なブラックホールが中心に位置し、より一般的な小型のブラックホールが残りの空間を埋め尽くす。これらの星団は、天文学者が暗黒物質が存在すると考えるあらゆる場所に潜んでいるとされる。銀河系の恒星や太陽の周りを回る惑星と同様に、ブラックホールは軌道運動によって他のブラックホールを飲み込むことはないだろう。ただし、稀な合体現象は例外である。

ジェダムジク氏は2つ目の論文で、これらの合体がどれほど稀な現象であるべきかを正確に計算した。彼は、LIGOが観測した巨大ブラックホールと、観測していない小型ブラックホールの両方について計算を行った（小型ブラックホールは微弱な高周波信号を発するため、検出するには非常に近い場所にある必要がある）。「もちろん、次々と正しい速度を導き出せたのを見て、私は驚愕しました」と彼は語った。

原始ブラックホール仮説の支持者たちは、いまだに説得すべき点が山積している。ほとんどの物理学者は依然として、暗黒物質はある種の素粒子でできており、その素粒子は極めて検出が難しいと考えている。さらに、LIGOのブラックホールは、普通の星から来たと予想されるものとそれほど変わらない。「これは、理論に実際には存在しない穴を埋めるようなものだ」と、カーネギーメロン大学の天体物理学者カール・ロドリゲス氏は述べた。「LIGOのブラックホール源には奇妙な点もあるが、これまで観測された現象はすべて、通常の星の進化のプロセスで説明できる」

LIGOが観測した重いブラックホール連星が星だけでどのように生成されるのかという理論を概説したハーバード大学の天体物理学者セルマ・デ・ミンク氏は、もっと率直にこう語る。「天文学者たちは、このことについて少しは笑って話せると思います。」

太陽質量未満のブラックホールが1つでも発見されれば（原始ブラックホールのシナリオによれば、これはよくあることであり、恒星からは形成されない）、この議論は一変するだろう。LIGOはその後の観測を重ねるごとに感度を高め、最終的にはそのような小さなブラックホールを発見するか、存在し得るブラックホールの数に厳しい制限を設けることができるようになった。「これは、10年、30年経ってもまだ正しいかどうか議論しているような、弦理論のような話ではない」とバーンズ氏は述べた。

一方、他の天体物理学者たちは、この理論の様々な側面を探求しています。例えば、原始ブラックホールに対する最も強力な制約は、おそらくマイクロレンズ法による探査から得られています。これは1990年代に始まったまさにその探査です。この探査では、天文学者たちは明るく遠くにある天体を監視し、暗い天体が目の前を通過するかどうかを待ちます。これらの探査によって、均一に分散した小さなブラックホールの集団は長い間排除されてきました。

しかし、原始ブラックホールがさまざまな質量で存在し、高密度で巨大なクラスターを形成している場合、これらの結果は研究者が考えていたほど重要ではない可能性があるとガルシア・ベリド氏は述べた。

今後の観測によって、この疑問も最終的に解決されるかもしれない。欧州宇宙機関（ESA）は最近、NASAが開発中のナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡に重要な追加機能を提供することに合意した。この追加機能により、画期的なマイクロレンズ効果の研究が可能になる。

この追加は、ESAの科学ディレクターであるギュンター・ハシンガー氏の強い要望によるもので、同氏は原始ブラックホールが複数の謎を説明できると主張しました。ハシンガー氏にとって、このアイデアは新しい粒子や新しい物理学理論を持ち出すものではなく、単に既存の要素を再利用しているだけなので魅力的です。

「もしかしたら、まだ解明されていない謎のいくつかは、別の視点で見れば、自ずと解けるかもしれないと私は信じている」と彼は語った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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