日没後に空を見上げると、おなじみの夜のキルトに明るい星が点在しています。これらの燃え盛る炉は非常に鮮やかで、最も近くのものでさえ何千兆キロも離れているという事実にもかかわらず、その光を見ることができます.
私たちのほとんどが無数の機会に見た光景なので、すべての星がこのように振る舞う必要があると考えるのは許されます.結局のところ、輝くのはスターの役目ではないでしょうか?
しかし、最近の一連の発見を信じるなら、そこにはまったく異なるクラスの星が潜んでいます - 闇のベールの下に隠れている恒星の幽霊です.これらの透明で目に見えない星は、光をまったく発しません。つまり、天の影に隠れて見えません。
天文学者は、通常の星とは異なり、宇宙の大部分が視界から隠されているとすでに疑っています。天の川銀河などの銀河を見ると、外側の端にある星の動きが速すぎることがわかります。実際、あまりにも速く、宇宙に飛び立つはずです。
それらを牽引し続けるためには、それらを制御する何かがなければなりません.科学者はこの物質を「暗黒物質」と呼んでおり、あなたと私が構成されている通常の物質よりも 5 対 1 以上の比率で数が多いと考えられています。
過去数十年にわたる大多数の評決は、この天体の接着剤が弱相互作用質量粒子 (WIMP) でできているというものでした。これにより、物理学者は前例のない激しい追跡を行って彼らを罠にかけました。彼らは、南極の氷の下、放棄された金鉱山、さらには国際宇宙ステーションにも検出器を構築しました.
これまでのところ、彼らの検索はすべて空でした。ですから、私たちの WIMP 検出器の 1 つが、目に見えない星の可能性への扉を開く暗黒物質のライバル理論を支持する証拠を発見したかもしれないというのは、やや皮肉なことです。
暗黒物質について詳しく読む:
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ダークボソン
XENON1T 実験は、イタリアのグラン サッソ山の地下 3,600 メートルにある、世界最大の地下研究施設です。 3 トン以上の液体キセノンを含む巨大なタンクは、WIMP トラップとして機能するように設計されています。WIMP がタンク内の原子に衝突すると、原子は反動して電子と光子 (光の粒子) を吐き出します。
しかし、2020 年の夏、XENON1T の研究者は、WIMP の流入に適合しない過剰な電子を発見したと発表しました。カリフォルニア大学サンディエゴ校の Tongyan Lin 博士によると、考えられる説明は 3 つあります。
最初の 2 つの説明は、太陽からの粒子、または実験中の放射性汚染物質です。 3 番目の、そして最も興味深いのは、提案された別の暗黒物質の形態である暗黒ボソンの到来です。
ボソンは、力を運ぶ亜原子粒子です。たとえば、光子は電磁力を運ぶボソンです。理論によれば、ダークボソンはダークマターそのものであるか、少なくともダークマターが通常の物質と相互作用する方法に関与している可能性があります。 XENON1T信号がさらなる精査に耐え、他のよりありふれた説明を除外できる場合、それはダークボソンが実際にそこにあるという最初の兆候である可能性があります.
XENON1T の発表から数か月後の 2020 年 9 月には、さらに興味をそそるヒントがありました。ヨーロッパとアメリカの 2 つの物理学者チームが、レーザーを使用して原子を卓上のトラップに閉じ込めました。すべての原子と同様に、エネルギー準位として知られる軌道で中心原子核の周りをぐるぐる回る電子が含まれていました。
デンマークのオーフス大学の Michael Drewsen 博士は、ヨーロッパ チームの一員です。彼は、ダークボソンの存在が原子を乱す力を生み出すだろうと言います. 「電子のエネルギー準位に小さな変化が見られるでしょう」と彼は言います。
彼のチームはそのような変化を見つけられませんでしたが、米国の彼の同僚はそうしました。いつものように、科学者は用心深い集団であり、ダーク ボソンが本当に原因であるという結論にすぐに飛びつくことはできません。
「それは、彼らがより重い原子を使っていたからかもしれません」と Drewsen は言います。ヨーロッパのチームはカルシウムをトラップしましたが、アメリカのチームはイッテルビウムを使用しました.それでも、彼らの調査結果は、XENON1T の結果と相まって、ダーク ボソンが本物であると主張する人々にとっては一石を投じるものです。状況証拠は確実に増えています。
天文学者は、このケースをさらに強化しています。ダーク ボソンが重力の影響を受ける場合、通常の物質と同じように凝集するはずです。オランダのラドバウド大学の Hector Olivares は、「それらは自己重力でボソン星になります」と述べています。
これらの星は、夜空を横切る星座に並んでいる星とは大きく異なります。まず第一に、コアで核融合が起こらないと、光を生成しません。また、透明になります。 「彼らに近づいたものは何でも通り抜けます」と Olivares は言います。
通常の物質と暗黒物質の間に非重力相互作用がないということは、壁の中を漂う幽霊のようなものだということです。結局のところ、椅子から落ちない唯一の理由は、お尻の電子と座席の電子の間の反発電磁力です。
オリバレスによると、ボソン星は、すべての主要な銀河の中心にあると考えられている超大質量ブラック ホール (SMBH) と同じくらい大きくなる可能性があります。実際、彼は、巨大なボソン星が最初に私たちをだまして、それが SMBH であると思わせる可能性があるのではないかと考えています。 「どちらもしっかりした表面を欠いています」と彼は言い、ブラック ホールは宇宙の落とし戸であり、事象の地平線として知られる後戻りできない点があるという事実に言及しています。
ブラックホールとダークボソン星
Olivares は最近、ブラックホールのようなボソン星に向かって物質が落下する最初のシミュレーションを行いました。 「私たちは、それらがブラック ホールと区別できることを発見しました」と彼は言います。それは影がないからです。
2019 年、天文学者は、ブラック ホールが飲み込んだ失われた光によってレンダリングされた暗い領域 (影) を含む、史上初のブラック ホールの画像を公開しました。ボソン星には影がありませんが (物質は飲み込まれるのではなく、まっすぐに通過します)、影をうまく偽装する機能を持っていることがあります。オリバレスはそれを疑似影と呼んでいます
「ほとんどの場合、疑似影は見えません。疑似影が見えたとしても、ブラック ホールの影よりも小さいのです」と彼は言います。天の川の中心にある SMBH が実際に巨大なボソン星であるかどうかを確認するためのテストとして、これをすぐに使用できます。 「それは、イベント ホライズン テレスコープ [最初のブラック ホールの写真を撮影するために使用されたものと同じ機器] を使用して区別できるものです」とオリバレスは言います。その作業は現在進行中です。
私たちは辛抱強くその結果を待っていますが、スペインのサンティアゴ・デ・コンポステーラ大学のフアン・カルデロン・ブスティロ博士は、ブラックホールになりすました2つのボソン星をすでに発見している可能性があります.悲惨な天体の衝突は波紋 (重力波) を生み出し、宇宙を通り抜けて地球に到達します。
それらは、2015 年に米国のレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) を使用して初めて検出されました。これまでに見たイベントの大部分は連星ブラック ホールでした。つまり、2 つの重力モンスターが互いの軌道を周回してから忘却に陥ります。
通常、このような衝突には 3 つの異なる段階があります。螺旋内、合体、そしてそれが作り出す新しいメガ ブラック ホールです。しかし、Bustillo 氏によると、1 つの特定のイベントが奇妙に際立っています:GW190521。 「スパイラル内の最初の段階は見られません」と彼は言います。 「代わりに、正面衝突になる可能性があります。」
これまでに見た残りのブラック ホールの合体は、すでに互いの軌道を周回している 2 つのブラック ホールから発生しています。しかし、以前は接続されていなかった 2 つのブラック ホールが衝突した場合、衝突前にらせん内段階が存在しないことを説明できる可能性があります。 Bustillo は計算を行いましたが、その説明はうまくいきませんでした。
「重力波信号は、予想よりも長く続きます」と彼は言います。結果として生じるブラック ホールも、必要以上に速く回転します。正面衝突では、すでに互いの周りをピルエットしている 1 組のブラック ホールと同じ回転ブーストは得られません。 「そのため、他の説明への門は開かれています」と彼は付け加えます。
Bustillo は、2 つのボソン星の間の正面衝突が代わりに法案に適合するかどうか疑問に思いました。彼らはできることがわかりました。彼の研究によると、ボソン星が衝突するプロセスには、ブラック ホールの衝突に比べて余分な段階があります。衝突した 2 つのボソン星からできた大きなボソン星は、ブラック ホールになる前に少し振動します。
この余分な振動段階は、衝突する 2 つのブラック ホールに対して予想されるよりも信号が長く続いた理由を説明できる可能性があります。 Bustillo はまた、衝突データを使用して、星を構成するボソンの質量を計算することもできました。 「この値は、他の測定による現在の制約に近いものです」と彼は言います。言い換えれば、暗黒物質に関する私たちの既存の考えに適合します。
最初のらせん内段階なしで衝突からの重力波がより多く見られるようになると、本当のクリンチャーがやってくるでしょう。 「私は、検出器がこのような信号をもっと見ることを期待しています」と Bustillo は言います。それらがボソン星の衝突によっても説明でき、それぞれの独立したイベントが暗黒ボソンに一貫して同じ質量を与える場合、シースルー星がそこにある可能性を無視することは難しくなります.
ローマ・サピエンツァ大学のコスタンティーノ・パシリオ博士によると、2 つの次の実験が間もなく争いに加わり、事件をさらに強化するのに役立つ可能性があります。 1つ目は、ヨーロッパで提案されている地上ベースの重力波検出器であるアインシュタイン望遠鏡です。 2 つ目は、レーザー干渉計宇宙アンテナ (LISA) です。これは、互いに 250 万キロメートル離れた編隊で飛行する 3 つの宇宙船です。
「どちらも LIGO よりも感度が高いため、重力波の形状をより正確かつ詳細に把握できます」と Pacilio 氏は言います。衝突するすべてのオブジェクトがその特徴を波の形に刻み込むため、これは非常に重要です。
特に、衝突する 2 つのオブジェクトが重力によって互いに変形する方法は、独自の特徴を提供します。 「ボソン星はエキゾチックな天体です」とパシリオは言います。 「彼らは宇宙と重力的に相互作用するだけなので、これが彼らが自分自身を示すことができる唯一の方法です.」
私たちが望遠鏡を発明したとき、それは私たちがすでに見ているものをよりよく見ることでした.しかし、何世紀も経った今、宇宙には目に見える以上のものがあることがますます明らかになりつつあります.おそらく、星についての私たちの考えをひっくり返し、ほとんど目に見えない宇宙を忍び寄る目に見えない星が同じくらい多く存在する可能性があるという事実を受け入れる時が来ました.
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 360 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
