画像クレジット:ESA。 新しい研究は、ビッグバン以前のブラックホールの残骸が今日でも銀河を形成している可能性があることを示唆しています。これらのブラック ホールは、宇宙論における最大の未解決の問題の 1 つである暗黒物質を説明できる可能性があります。
一般的に言えば、ブラックホールは物質が小さな空間に圧縮された時空の領域です。一方、暗黒物質とは、光を反射したり吸収したりしない物質のことです。銀河やその他の宇宙構造に対する重力の影響により、この存在がわかっています。
それは銀河を結び付ける「接着剤」と見なすことができますが、基本的なレベルでそれが何でできているのかはわかっていません。ほとんどの物理学者は、暗黒物質はまだ発見されていない素粒子で構成されていると考えています。
しかし、ビッグバン以前の古代のブラックホールもこの条件に当てはまります。それらは暗いですが、質量も持っています。まさに必要な特性です。
私は新しい論文でこのアイデアを検討しました。もちろん、遺物のブラックホールという考えには、ビッグバンそのものについても再考する必要があります。
ほぼ一世紀にわたって、宇宙学者は宇宙の歴史をこのたった一度の劇的な瞬間まで遡って追跡してきました。しかし、これは時代の絶対的な始まりではなかったのかもしれません。おそらく、ビッグバンの前に宇宙が存在したのでしょう。
このシナリオでは、宇宙は膨張する前に崩壊しました。ビッグバンは 2 つの段階間の移行を表します。
ビッグバンモデルは目覚ましい成功を収めました。これは、宇宙マイクロ波背景放射 (初期宇宙の残光) を説明し、銀河の大規模な分布を驚くべき精度で予測します。
しかし、アインシュタインの一般相対性理論では、それは密度が無限になり、既知の物理法則が崩れる点である特異点でもあります。
多くの物理学者は、これを物理的な現実としてではなく、何かが欠けている兆候として解釈します。特異点は物理的な物体というよりは、数学的な警告に近いものです。特異点は、現在の理論では宇宙の最も初期の瞬間を説明できないことを教えてくれます。
衝撃ではなく、跳ね返ります
代替案の 1 つは、バウンス宇宙論です。この図では、宇宙はビッグバンの前に収縮段階を経て、非常に高い、しかし有限の密度に達します。特異点に崩壊するのではなく、回復し、新たな拡大段階が始まります。
バウンスモデルは何十年にもわたって研究されてきましたが、多くの場合、重力やエキゾチックな新しい成分の変更が必要になります。しかし、私たちの研究は、重力と量子力学の効果（最も小さなスケールで自然を支配する法則）が一貫して考慮されている場合、標準物理学の範囲内で通常の解決策としてバウンスが発生する可能性があることを示しています。
標準的な宇宙論では、ビッグバンの直後に、初期宇宙が急速かつ指数関数的に膨張する期間が続きます。インフレーションとして知られるこの段階では、以前の構造の痕跡がすべて事実上消去されます。
AI が生成したブラック ホールの画像。 跳ねる宇宙では状況が異なります。私たちの研究では、90メートルを超えるものは崩壊から膨張への移行に耐えられた可能性があることがわかりました。これにより、以前の宇宙時代からの情報を伝える「遺物」が残されます。これらの遺物には、ブラック ホール、重力波、密度変動が含まれる場合があります。
量子物理学には、これがどのようにして可能になるのかについての強力な手がかりが含まれています。量子論の基礎であるパウリの排他原理によれば、物質は非常に高い密度で「縮退」します。この物質は、熱がない場合でもさらなる圧縮に抵抗する圧力を生成します。
私たちのモデルでは、同様の効果が宇宙論的スケールに作用します。これは、なぜ宇宙が完全に崩壊しないのか、そしてなぜバウンス前またはバウンス中に形成された構造が膨張期まで生き残ることができるのかを説明するかもしれません。
黙示録を生き延びる
私たちは、レリック ブラック ホールが発生する主な経路を 2 つ特定しました。
1つ目は直接的な生存です。宇宙の崩壊段階で生成されたコンパクトな物体と摂動 (密度または重力の変動) は、バウンス中も持続する可能性があります。
2番目のルートはさらに興味深いです。収縮中、物質は重力の下で自然に凝集し、今日の銀河のホストとなっているハローに似た構造を形成します。跳ね返った後、それらは効率的にブラックホールに崩壊することができます。
収縮段階の銀河や星は実質的にブラック ホールに崩壊し、詳細な構造の大部分が消去されますが、質量は維持されます。
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?何十年もの間、主要な候補は基本粒子でしたが、大規模な検索にもかかわらず何も検出されていませんでした。
レリック ブラック ホールは、魅力的な代替手段を提供します。跳ね返りによって十分な量のそれらが生成されれば、それらは暗黒物質のかなりの、おそらく支配的な部分を構成する可能性があります。
このアイデアは、近年の最も興味深い観察パズルの 1 つに関連している可能性もあります。
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) は、初期宇宙にある、「小さな赤い点」とも呼ばれる、コンパクトで非常に赤い天体の集団を明らかにしました。これらの天体は、ビッグバンからわずか数億年後に、予想外に巨大で明るくなったように見えます。
多くの天文学者は、それらが急速に成長するブラックホール、おそらく今日銀河の中心で発見されている超大質量ブラックホールの種と関連しているのではないかと疑っています。しかし、それらの存在は標準的な宇宙論の中で説明するのが困難です。このような巨大な物体はどのようにしてこれほど急速に形成されるのでしょうか?
遺物ブラックホールは自然な説明を提供します。バウンス直後に巨大なシードがすでに存在していれば、初期宇宙をゼロから始める必要はありません。超大質量ブラックホールは、新たに形成された天体ではなく、古代の生存者から成長する可能性があります。
この意味で、JWST はすでにバウンス前の遺物の子孫を垣間見ている可能性があります。
新しい宇宙論的枠組み
まとめると、バウンス シナリオは、宇宙論におけるいくつかの長年の問題に対処するための統一された方法を提供します。
- ビッグバン特異点は量子遷移に置き換えられます。この移行は、時空の 2 つの異なる領域間の数学的つながりである「アインシュタイン – ローゼン橋」の概念に関連している可能性があります。
- インフレはバウンス付近のダイナミクスから自然に現れます。
- 暗黒エネルギーは、有限な宇宙のグローバル構造に関係している可能性があります。
- 暗黒物質は遺物のブラック ホールで構成されている可能性があります。おそらく私たちの宇宙は 1 つとして始まったのでしょう。
- 重力波は、以前の宇宙段階からの信号を運ぶ可能性があります。
- 超大質量ブラック ホールは、最近の JWST 観測と一致して、古代に起源を持つ可能性があります。
やるべきことはまだたくさんあります。これらのアイデアは、重力波背景波から銀河調査、宇宙マイクロ波背景波の精密測定に至るまで、データに照らしてテストする必要があります。
しかし可能性は非常に高く、宇宙は一度始まったわけではなく、再び立ち直ったのかもしれません。そして、今日の銀河を形作っている暗い構造は、ビッグバン以前の時代の遺物である可能性があります。
エンリケ・ガスタナガ氏、ポーツマス大学宇宙論重力研究所の天体物理学教授
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