2017 年のノーベル物理学賞は、「LIGO 検出器と重力波の観測への決定的な貢献」により、キップ ソーン、ライナー ワイス、バリー バリッシュに授与されました。 LIGO の発見により、重力波天文学の新時代が幕を開けました。
重力波を生成するイベントは、合体し始めた 2 つのブラック ホールの渦巻きと一致しており、合体すると、LIGO が重力波信号を検出しました。これまでのところ、すべての LIGO 観測 (いくつかのイベント) は、これらの衝突するブラック ホールの質量が太陽の質量の約 30 倍であることを示唆しています。これは、太陽の質量の約 400 万倍である、いて座 A*（銀河の中心にあるブラック ホール）の質量と対照的です。ブラック ホールは、天の川銀河のように、ほとんどの渦巻銀河の中心にあると考えられていますが、LIGO によって検出されたような、より軽いブラック ホールの起源は、天体物理学者や宇宙学者にとって説明が困難になる可能性があります。
もう 1 つの傑出したパズルは、暗黒物質の原始的な起源と性質です。特に、それが基本的な粒子で構成されているのか、それともまったく異なる予想外の性質のものなのか.暗黒物質の観測証拠は間接的に推測されています。私たちの銀河系内の遠方の星の軌道を説明するために必要なだけでなく、初期宇宙の原始流体の主要な成分としても必要です.つまり、初期宇宙に大部分の暗黒物質がなければ、銀河と銀河団は、今日の望遠鏡で見る方法を形成するように進化することはありませんでした.では、宇宙の暗黒物質とは何ですか?
最近の LIGO 観測は、重力波の存在の観測証拠を提供してくれるだけでなく、ブラック ホールが宇宙の暗黒物質のすべてまたは一部である可能性があるという別の興味深い可能性を示唆しているため、興味深いだけではありません。ブラック ホールは、広範囲のブラック ホールの質量が考慮される際の多くの観測上の制約のため、暗黒物質の唯一の構成要素であるとは見なされていませんでした。
たとえば、一部のブラック ホールの質量に対する強い制約は、宇宙のマイクロ波背景放射 (ビッグバンの残光) の黒体スペクトルを歪める方法から生じます。ただし、30 の太陽質量 (LIGO によって検出される) の特別な質量は、観測の制約が不足している特別な範囲内にあります。これらのブラック ホールは暗黒物質である可能性がありますか?もしそうなら、なぜこの質量が他の質量よりも好まれるのでしょうか?
最後に、初期宇宙のもう 1 つの謎は、最も軽い元素の創造 (いわゆるビッグバン元素合成) の前に、宇宙はどのように進化したかということです。これらの軽元素を形成するために必要な熱いスープに宇宙が熱化したのはいつですか?宇宙は最初の数分の一の間に、信じられないほど急速な加速の期間、つまり宇宙インフレーションとして知られる期間を経験したと考えられています。インフレーションには強力な観測証拠がありますが、インフレーションに続いたものと、それが今日の宇宙にどのようにつながったかは確立されていません.
基礎理論 (特にひも理論) は、インフレーションの終わりから高温の熱化された宇宙へのこの移行中に、宇宙は最近発見されたヒッグス粒子に似た流体で主に満たされた可能性があることを示唆しています。この図が正確である場合、これらのフィールドの振動は、ブラック ホールが形成されるのにはるかに適した初期宇宙の条件につながったはずです。しかし、後でこれらの場は崩壊し、標準モデルの粒子の形で大量の放射を生成し、次に最も軽い原子が形成されます。この放射の生成は、初期に形成された、いわゆる「原始」ブラック ホールを希釈します。しかし、この最近の研究の重要な発見は、最後に形成されるブラック ホールが最も少ない量の希釈を受けるということです。
興味深いのは、これらの生き残ったブラック ホールの質量を尋ねると、それらの質量が約 30 太陽質量であることがわかります。これは、まさに LIGO の結果の暗黒物質の解釈に必要な質量です。これは、これらのブラック ホールが暗黒物質のすべてまたは一部である可能性があり、LIGO 検出が重力波の最初の検出であるだけでなく、暗黒物質の最初の検出でもある可能性があるという考えを示唆しています。これらのブラック ホールが暗黒物質の主要な構成要素なのか、それとも唯一の構成要素なのかは未解決の問題です。しかし、これらの初期の結果は、この特定の質量のブラック ホールにより、暗黒物質がより理解されつつあるという興味深い可能性を示唆しています。
この研究、原始ブラック ホールの形成と暗黒物質としてのブラック ホールの好ましい質量範囲は、Journal of High Energy Physics に最近掲載されました。
