2016 年 2 月 11 日、高度レーザー干渉重力波観測装置 (aLIGO) の広報担当者が重力波の発見を発表したとき、私は唖然としました。確かに、ある時点で aLIGO が何か興味深いものを提供してくれることを期待していましたが、それは暫定的なものになると考えていました。このプロジェクトは、数か月または数年のデータを洗練された骨の折れる方法で調べた後、ノイズからわずかに頭を浮かび上がらせる弱い信号を示すだろうと予想していました。
しかし、いいえ、2月の運命の日で示された筋書きは非常に明確で曖昧ではなかったので、私は説得力がありませんでした.肉眼で、2 つの大きなブラック ホールが合体して 1 つになり、落ち着くと周囲の時空に重力波が流れ込む紛れもない波形を見ることができました。
そして、もっとありました。 aLIGO が見たブラック ホールは、そこに存在するはずがありませんでした。太陽の質量の 100 万倍または 1 兆倍の質量を持つブラック ホールが存在することは以前から知られており、太陽と同程度の質量を持つより小さなブラック ホールも見られていました。しかし、aLIGO が見たブラック ホールは、太陽の 30 ～ 60 倍の重さです。私の同僚の何人かは、aLIGO が発見した中規模のブラック ホールは、ほぼ 50 年間私たちをとらえきれなかった暗黒物質である可能性があると主張しています。
科学者がブラック ホールが暗黒物質である可能性を示唆したのはこれが初めてではありませんが、その可能性は決定的に除外されたと考えていました。アイデアの復活は、新しい発見に続く肥沃な創造性のほんの一例です。支持されていなかったアイデアが流行に戻り、新しい光の中で見られ、熱意を持って追求され、場合によっては、受け入れられた見解に取って代わります。これらの再発見は、非常に異なる研究分野のように見えるもの (この場合は暗黒物質と重力波) を結びつけ、実りあるつながりにつながります。
1970 年代、スティーブン ホーキング博士と当時の大学院生であったバーナード カー氏は、ビッグバンの後に支配したカオスから、小さな原始ブラック ホールの海が出現し、宇宙に存在する可能性があると提案しました。時間が経つにつれて、これらのブラックホールは成長し、その過程で銀河の形成に種をまきました.それらは、おそらく、宇宙の全体的なエネルギー収支に貢献することさえあります.ブラック ホールは重くて見えにくく、宇宙に欠けている物質を説明するために必要な特性です。
数十年間、筋金入りの信者グループがこの考えを推し進めてきました。 1990 年代には、致命的な打撃のように見えました。 MACHO 実験では、大マゼラン雲に望遠鏡を向け、ブラック ホールなどの天体が星の前を通過するときに発生するかすかなちらつきを観察しました。彼らは、宇宙の暗黒物質全体を構成するのに十分な数のブラック ホールを持つことは非常に難しいことを発見しました.
最近では、プリンストン高等研究所のティモシー・ブラントが、天の川の周りの空隙に潜む矮小銀河に住む球状星団として知られる星の密な凝集体に、ブラックホールがどのように影響するかを調べました。彼は、ブラック ホールが多すぎると、これらの球状星団が熱くなり、膨らみ、非常に急速に消滅することを示しました。矮小銀河エリダヌス II の特定のクラスターの数値を差し込むことで、暗黒物質のごく一部のみがブラック ホールの形をとっていることを示すことができました。そして暗黒物質としてのブラック ホールは、理論家が遊びたがるもう 1 つのエキゾチックなアイデアになりましたが、それは自然界とは何の関係もないように思われました。
暗黒物質の探索は、弱く相互作用する大質量粒子、略して WIMPS に集中しています。これらは基本的な粒子であり、自然の基本的な力が統合され、現在とは非常に異なる振る舞いをしていた非常に初期の遺物です。私の同僚の多くにとって、WIMPS の発見は必然です。彼らはそこにいなければなりません。強力で十分な大きさの装置を構築する限り、ほとんどの宇宙論者は、いつかこれらの奇妙な粒子を目にすることは避けられないと信じています.
それが起こっていないことを除いて。時間が経つにつれて、私たちの検出器はより強力になり、大きくなりましたが、何も検出されませんでした.最近、サウスダコタ州リードの地下 1 マイルに埋められた 0.5 トンの液体キセノンにエネルギーを蓄積する希少粒子を探す LUX 実験は、これまでに見られなかった粒子の証拠を引き出すことに失敗しました。 LUX の設計者の 1 人であるブラウン大学の Richard Gaitskell 氏は次のように述べています。しかし、私たちが観察したことは、背景だけと一致しています。」
WIMPS が経験している悲惨な状況を考えると、眠っていた古くて投機的で捨てられたアイデアのいくつかを再検討することは理にかなっています。ジョンズ・ホプキンス大学に拠点を置くシメオン・バードが率いる最近の 2 つの論文と、京都の湯川研究所に拠点を置く佐々木操が率いるもう 1 つの論文は、まさにそれを行っています。
aLIGO の発見に刺激されて、彼らは太陽の質量の数十倍の質量を持つブラック ホールが暗黒物質である可能性があるかどうかを解明しました。天の川銀河にはこれらのブラックホールが100億個存在するはずで、最も近いものは太陽系から数光年離れている可能性が高い.これらのブラック ホールのうち、いくつかは集まって連星を形成し、そのような組み合わせのいくつかは aLIGO で検出できます。 2 つのチームは、aLIGO がこれらのイベントを年に数回から数十回行うことを期待すべきであることに同意しています。それらは、星の崩壊などの通常の手段で生成されたブラックホールを支配します。言い換えれば、これらのブラック ホールが銀河の暗黒物質である場合、aLIGO で既にそれらを確認できたはずです。
悪魔は細部に宿る。原始ブラック ホールが最初にどのように出現したかは、まだ不明です。 1つの考えは、インフレーションとして知られる宇宙初期の加速膨張の短い期間に製造されたというものです。膨張時の衝撃と身震いは、高密度の塊にエネルギーを集中させ、ブラックホールの形成の種をまきました。私たちがそれらを検出するには、これらの穴が十分に接近して凝集し、その後融合して重力波を放出する必要があります。これがいつどのように起こるかは、天の川の形、その質量がどれだけ密集しているか、ブラックホールがどれだけ速く動いているかによって異なります.賢明な仮定は有望な答えを与えるように見えますが、それらはまだ仮定にすぎません。
これらは、aLIGO の発見による多幸感に続く、この分野での初期の段階であり、あらゆることが起こり得る。 MACHO 実験と球状星団からの制約は彼らの考えに反しますが、いくつかの工夫で観測によってもたらされた問題を解決できるかもしれません。
高度な LIGO の発見は、私がキャリアの中で目撃した別の変革を思い出させます。 1991 年、COBE 衛星は、宇宙マイクロ波背景放射のさざなみを初めて測定しました。これは、ビッグバンの名残りの放射線です。これらのさざなみを求めるイライラする、ほとんど風変わりな探求は 25 年以上続き、ほとんど宇宙論の僻地に追いやられていました。宇宙論自体は、非常に楽しく創造的であるにもかかわらず、難解で特定するのが難しい、毛むくじゃらの主題と見なされていました.しかし、波紋が最終的に発見されたとき、それらは天文学だけでなく素粒子物理学のアイデアのなだれで宇宙論に活力を与えました。
何十年もの間、銀河が誕生し、進化し、最終的に現在の大規模な構造を形成する方法と、初期の宇宙で支配していたであろう自然の基本法則を結びつけようとしてきました。 COBE の発見によって、私は今日までたどってきた道を歩むことができましたが、高度な LIGO が暗黒物質の探索において新世代の物理学者のために同じことを行っていることがよくわかります。
Pedro Ferreira は、オックスフォード大学の理論宇宙学者兼天体物理学者であり、オリエル カレッジのフェローでもあります。宇宙の大規模構造の起源、一般相対性理論、暗黒物質と暗黒エネルギーの性質に取り組んでいます。彼の最新の本 The Perfect Theory は、一般相対性理論の伝記です。 Winton/Royal Society Science Book Prize の最終選考に残り、Physics World Book of the Year (2014) の最終選考に残りました。
この記事は、もともと 2017 年 2 月に Nautilus Cosmos で公開されたものです。
