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天文学者はビッグバンからブラックホールを発見しましたか?

最初の直接検出からほぼ 5 年で、重力波は天文学で最もホットなトピックの 1 つになりました。レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) などの施設を使用して、研究者は主に時空の波紋を使用してブラック ホールの合体の内部動作を研究してきましたが、LIGO は他の種類の天体衝突からの重力波も検出しました。中性子星と呼ばれる超高密度の恒星残骸の衝突。しかし、LIGO は、天​​文学者が頭を悩ませる重力波を提供することがあります。GW190425 の場合のように、昨年 4 月に検出され、最近中性子星の合体に起因することが判明しました。

問題は、LIGO のデータが、この中性子星のペアがかなり太りすぎていたことを示唆していることです。全体として、太陽の質量の約 3.4 倍であり、これまでに見られた中で最も大規模な中性子星連星よりも太陽質量の半分重いです。ペンシルバニア州立大学の天体物理学者で、重力波を研究している Chad Hanna は、「既知の中で最も重いものであり、かなりの差があります」と述べています。

この余分な重量により、一部の理論家は、GW190425 は中性子星の衝突から生じたものではなく、よりエキゾチックなものではないかと疑っています。2 つの原始ブラック ホール (PBH) の合体であり、暗黒物質のダークホース候補と見なされる天体はこれまでに見られませんでした。 —目に見えない、正体不明の何か 宇宙のほとんどの物質を構成しています。非常に初期の宇宙の密度変動から形成されたと理論化されているこれらの古代のブラック ホールは、今日でも存在する可能性があり、最近の LIGO 観測で特定された質量の不一致を説明できます。

ほぼ半世紀前、宇宙学者のスティーブン・ホーキングは、PBH は初期の宇宙の特に物質が密集した領域から完全に形成された可能性があると提案しました。それ以来、天体物理学者や宇宙論者の間でのこのアイデアの人気は、大きく増減しました。今日、PBH の存在を示す直接的な証拠がないため、多くの研究者は PBH を最後の手段の仮説と見なしており、観察にすぐに適合するシナリオが他にない場合にのみ検討します。しかし、PBH が実在し、宇宙全体に広まっている可能性はまだ否定できません。特に、他の暗黒物質候補の検索が空っぽになっているためです。

PBH は、いくつかの理由で暗黒物質の魅力的な候補となりますが、最も重要な理由は、ブラック ホールであるため、非常に暗いにもかかわらず、依然として大きな重力を持っていることです。その事実にもかかわらず、Hanna は、PBH が宇宙のすべての暗黒物質を説明するのに十分なほど豊富にある場合、それらを探した天文学的調査が空になることはなかったはずだと言います。その結果、PBH は暗黒物質のごく一部しか構成できないと彼は付け加えます。

誰もが同意するわけではありません。マドリッド自治大学の理論宇宙学者であるフアン・ガルシア・ベリドは、「原始ブラックホールは暗黒物質全体を構成している可能性があります。彼が付け加える秘訣は、古代の物体が単一の決定的なサイズではなく、一連の質量を示すことです. PBH が太陽の 1000 分の 1 の質量から 10 億倍の質量までの範囲をカバーする場合、すべて を構成できます。 宇宙の暗黒物質の. 「原始ブラック ホールを暗黒物質として除外すると主張するすべての公開された制約は、それらが単色または単一質量のスペクトルに存在し、空間に均一に分布していると仮定しています」と García-Bellido は言います。このように大きな質量範囲が現れるためには、PBH が時折衝突、合体、拡大する可能性のあるコンパクトなグループに集まる必要があります。

PBH はビッグバンの直後に作成されたものであるため、当初は互いに簡単に接続できたはずです。初期の宇宙は、140 億年近くにわたって劇的に膨張した後、現在よりもはるかに小さな場所でした。そのため、天体が他の PBH を見つけてそれらとペアを組むことが容易になりました。しかし、宇宙が膨張し続け、最初の星や銀河が出現するにつれて、それらのつながりはますますまれになったでしょう.そのため、LIGO が PBH の合体を観測した可能性はありますが、可能性は低いと、ニューヨーク市のフラットアイアン研究所の LIGO チーム メンバーであり、天体物理学に登場する予定の研究セットの共著者である天文学者のカテリーナ チャツィオアノウ氏は述べています。日記の手紙 それは中性子星の衝突の産物として GW190425 をペグします.

昨年 4 月、LIGO による GW190425 の検出に警告が発せられ、世界中の望遠鏡が、通常 2 つの中性子星の爆発的な衝突から予想される対応する電磁信号を探しました。しかし、2 つの原始ブラック ホールが衝突したかのように、空は暗いままでした。 「2 つの原始ブラック ホールの合体から光が発生するとは予想していませんでした」と Chatziioannou 氏は言います。それでも、光がないからといって中性子星が除外されるわけではないと彼女は付け加えます。大規模な中性子星は比較的穏やかな合体を起こし、天体の花火を引き起こす前に直接ブラック ホールに崩壊した可能性があります。空でのイベントの場所は、太陽の後ろの領域など、地球にバインドされた望遠鏡がプローブできなかった場所からのものである可能性もあります. 「光があったとしても、彼らがそれを見逃したのには十分な理由があります」と彼女は言います.

最新の観測結果は、PBH がそこにあり、時折宇宙の暗闇の中で集まっている可能性があるという興味をそそるヒントを提供するだけです。より明確な特徴は、それぞれが太陽よりも軽い一対のブラックホールから来るでしょう. 「太陽質量の下にブラック ホールが見つかった場合、それは少なくとも、原始ブラック ホールの外では、天体物理学的には誰も予測していなかったメカニズムに由来するものです」とハンナは言います。ガルシア・ベリードも同意見です。 「決定的なのは、太陽質量の 1 倍未満のブラック ホール、または [太陽の 50 倍] を超える質量を持つブラック ホールの発見です」と彼は言います。

LIGO の観測は PBH の最初の検出を示す可能性がありますが、Chatzioannou と Hanna の両方は、重力波が単に太り過ぎの中性子星から来た可能性が高いことに同意します。このようなかさばる中性子星の形成に関する理論はすでに存在しており、宇宙の黎明期からの推測的なシナリオは必要ありません。 「[これらのイベントの発生源] が原始ブラック ホールである可能性は、銀河で見られるものよりも重い中性子星である可能性がはるかに低いことは間違いありません」と Chatziioannou 氏は言います。 「不可能ではありません。可能性が低いだけです。」

Hanna は GW190425 の事例を原始ブラック ホール連星が「弱い」と呼んでいますが、García-Bellido はより楽観的です。 「すべて LIGO イベントは、原始ブラック ホールが原因である可能性があります」と彼は言います。時間と、より多くのデータだけが教えてくれます。


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