ブラックホールはサメのようなものです。エレガントで、シンプルで、一般に想像されるよりも恐ろしく、私たちの周りの深く暗い場所に潜んでいる可能性があります.
それらの非常に黒いため、宇宙に存在するブラックホールの数とその大きさを推定することは困難です.そのため、2015 年 9 月に最初の重力波がレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) の検出器を通過したときは本当に驚きました。以前は、最大の星サイズのブラック ホールは太陽の質量の約 20 倍に達していました。 .これらの新しいものは、それぞれ約 30 太陽質量であり、考えられないことではありませんが、奇妙です。さらに、LIGO の電源を入れてすぐに、この種の天体が互いに融合する音を聞き始めると、天体物理学者は、自分たちが思っていたよりも多くのブラック ホールがそこに潜んでいるに違いないことに気付きました。たぶんもっとたくさん。
これらの奇妙な標本の発見は、古い考えに新しい命を吹き込みました — 近年、周辺に追いやられたものです.死にかけている星がブラックホールを作る可能性があることはわかっています。しかし、おそらくビッグバン自体の間にブラックホールも生まれました。そのような「原始的な」ブラックホールの隠れた集団は、宇宙規模の隠れた親指である暗黒物質を構成する可能性があります。何十年にもわたる調査にもかかわらず、暗黒物質の粒子は姿を現していません。本当に必要な材料であるブラック ホールがずっと鼻の下にあったとしたらどうでしょうか?
ジョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者マーク・カミオンコフスキー氏は、「そうです、それはばかげた考えでした」と、2016 年にその可能性を調査した多くの人目を引く論文の 1 つを発表したグループの宇宙学者であるマーク・カミオンコフスキーは言いました。そうでなければ」
残念なことに、2017 年に原始ブラック ホールとの関係が悪化したのは、ニューヨーク大学の天体物理学者であり、以前は楽観的なカミオンコフスキー チームに所属していた Yacine Ali-Haïmoud による論文が、この種のブラック ホールが LIGO の検出率にどのように影響するかを調べた後です。彼は、赤ん坊の宇宙が暗黒物質を説明するのに十分な数のブラック ホールを生成した場合、時間の経過とともに、これらのブラック ホールは連星のペアに落ち着き、お互いにますます接近して周回し、LIGO が観測する速度よりも数千倍高い速度で合体するだろうと計算しました。彼は、他の研究者に、別のアプローチを使用してアイデアを調査し続けるように促しました.しかし、多くの人が希望を失いました。この議論は非常にひどいものだったので、Kamionkowski は仮説に対する彼自身の興味を消し去ったと言いました.
しかし、最近の一連の論文により、原初のブラック ホールのアイデアが復活したようです。先週 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics に掲載された最新の記事の 1 つ モンペリエ大学の宇宙学者である Karsten Jedamzik は、大量の原始ブラック ホールがどのようにして LIGO の観測結果と完全に一致する衝突を引き起こすかを示しました。 「もし彼の結果が正しければ、そしてそれは彼が行った慎重な計算であるように思われますが、それは私たち自身の計算の棺桶に最後の釘を打ち込むでしょう」その後の論文も。 「実際には、それらはすべて暗黒物質である可能性があることを意味します。」
ジェダムジクの主張の一部を刺激したサセックス大学の宇宙学者、クリスチャン・バーンズは、「それはエキサイティングです」と語った。 「彼はこれまで誰よりも先に進んでいます。」
元のアイデアは、スティーブン・ホーキングとバーナード・カーの研究により、1970 年代にさかのぼります。 Hawking と Carr は、宇宙の最初の数分の 1 秒の間に、その密度の小さな変動が、幸運な領域または不運な領域に過剰な質量を与えた可能性があると推論しました。これらの各領域は崩壊してブラック ホールになります。ブラック ホールのサイズは、領域の地平線 (光の速度で到達できる任意の点の周囲の空間の区画) によって決まります。地平線内のあらゆる物質は、ブラック ホールの重力を感じて落ち込みます。ホーキングの大まかな計算では、ブラック ホールが小さな小惑星よりも大きければ、今日の宇宙にまだ潜んでいる可能性が高いことが示されました。
1990 年代にはさらなる進歩がありました。それまでに、理論家は宇宙インフレーションの理論も持っていました。これは、宇宙がビッグバンの直後に極端な膨張のバーストを経験したことを示しています.インフレーションは、最初の密度変動がどこから来たのかを説明することができます.
これらの密度の変動に加えて、物理学者は、崩壊に沿って進む重要な遷移についても検討しました。
宇宙ができたばかりの頃、そのすべての物質とエネルギーは想像を絶するほど高温のプラズマで沸騰していました。最初の10万分の1秒かそこらの後、宇宙は少し冷却され、プラズマのゆるいクォークとグルオンが結合してより重い粒子になる可能性があります.電光石火の粒子の一部が束縛されて、圧力が低下しました。これにより、より多くの領域が崩壊してブラック ホールになった可能性があります。
しかし、1990 年代には、この遷移がブラック ホールの生成にどのように影響するかを正確に予測できるほど、クォークとグルオンの流体の物理を十分に理解していた人は誰もいませんでした。理論家たちは、原始ブラック ホールがどれくらいの量になるべきか、または予想される数を言うことができませんでした。
さらに、宇宙論者は原始ブラックホールを実際には必要としていないようでした。天文学的な調査では、天の川のはずれに浮かぶブラック ホールのような密集した暗い物体の海を見つけることを期待して空のパッチをスキャンしましたが、多くは見つかりませんでした。代わりに、ほとんどの宇宙論者は、暗黒物質は WIMP と呼ばれる非常にシャイな粒子でできていると信じるようになりました。そして、専用の WIMP 検出器か、間もなく登場する大型ハドロン衝突型加速器のいずれかが、それらの確固たる証拠をすぐに発見するだろうという期待が煮えたぎっています。
暗黒物質の問題が終わりを迎えようとしており、それ以外のことを示唆する観測結果がないため、原始ブラック ホールは学術的な背水となった。 「ある上級宇宙学者は、それに取り組んでいる私を嘲笑しました」と、1990年代に自分の興味を遡るJedamzikは言いました。 「だから私はそれをやめました。なぜなら、私は恒久的な地位を得る必要があったからです。」
もちろん、それ以来何十年もWIMPは発見されておらず、新しい粒子も発見されていません（長い間予測されていたヒッグスボソンを除いて）。暗黒物質は暗いままです。
しかし、原始ブラック ホールを生み出した可能性のある環境については、今日ではさらに多くのことがわかっています。物理学者は、宇宙の始まりにクォークグルーオンプラズマから圧力と密度がどのように進化したかを計算できるようになりました。 「コミュニティがこれを解決するのに本当に何十年もかかりました」とバーンズは言いました。その情報を手にして、マドリッド自治大学のバーンズやフアン ガルシア-ベリードなどの理論家は、初期の宇宙が 1 つのサイズのブラック ホールだけでなく、さまざまなサイズのブラック ホールを生み出した可能性があることを予測する研究を発表してきました。 .
まず、クォークとグルオンがくっついて陽子と中性子になった。これにより圧力が低下し、原始ブラック ホールのセットが 1 つ生成された可能性があります。宇宙が冷却し続けるにつれて、パイ中間子などの粒子が形成され、別の圧力急落とブラック ホール バーストの可能性が生じました。
これらの時代の間に、空間自体が拡大しました。最初のブラック ホールは、周囲の地平線から約 1 太陽質量の物質を吸い込むことができました。 2 番目のラウンドは、LIGO によって最初に見られた奇妙な物体のように、おそらく約 30 太陽質量の価値をつかむことができます。 「重力波が私たちを助けてくれました」と García-Bellido は言いました。
2016 年に LIGO から最初の重力波が発表されてから数週間以内に、原始ブラック ホール仮説が復活しました。しかし翌年、アリ＝ハイムードは、原始ブラック ホールがあまりにも頻繁に衝突するという彼の主張を発表し、支持者に克服すべき大きなハードルを与えました。
Jedamzik が挑戦しました。コスタリカでの長期休暇中、彼はアリ＝ハイムードの主張を追った。 Ali-Haïmoud は、方程式を通じて分析的に研究を行っていました。しかし、Jedamzik が同じ問題の数値シミュレーションを作成したとき、彼はひねりを見つけました。
原始ブラック ホールは実際に連星を形成します。しかし Jedamzik は、ブラック ホールであふれている宇宙では、3 番目のブラック ホールが最初のペアに接近し、そのうちの 1 つで場所を変えることが多いと結論付けました。このプロセスは何度も繰り返されます。
時間の経過とともに、このパートナーからパートナーへのスイングは、ほぼ円形の軌道を持つ連星ブラック ホールを残します。これらのパートナーは、衝突するのが非常に遅くなります。原始ブラック ホールの巨大な集団でさえ合体する頻度は非常に低いため、仮説全体が LIGO の観察された合体率の範囲内に収まります。
彼はこの 6 月に作品をオンラインに投稿し、アリ=ハイムード自身のような外部の専門家からの質問に答えました。 「ばかげたことを言っているだけではないことを、できる限りコミュニティに納得させることが非常に重要でした」とジェダムジクは言い、「ナンセンス」よりも力強い言葉を使いました。
彼はまた、原始ブラック ホールが、太陽と最も近い星の間の距離とほぼ同じ大きさの暗黒星団の中に存在することを予測した研究を構築しました。これらのクラスターのそれぞれには、約1,000個のブラックホールがぎっしり詰まっている可能性があります。太陽質量 30 の巨獣が中央に座ります。より一般的な小さなものは、残りのスペースを埋めます。これらのクラスターは、天文学者が暗黒物質であると考えているあらゆる場所に潜んでいます。銀河系の星や太陽の周りを回る惑星と同様に、各ブラック ホールの軌道運動は、別のブラック ホールをむさぼり食うのを防ぎます — これらの異常な合体時を除きます。
2 つ目の論文で、Jedamzik は、これらの合併がどれほどまれであるかを正確に計算しました。彼は、LIGO が観測した大きなブラック ホールと、まだ観測していない小さなブラック ホールの計算を行いました。 (小さなブラック ホールはかすかな高音の信号を生成するため、検出するには近くにいる必要があります。)「もちろん、次から次へと正確なレートが得られたのを見て、私は唖然としました。」と彼は言いました。
原始ブラック ホール仮説の支持者には、説得力のある多くの説得力が必要です。ほとんどの物理学者は、暗黒物質がある種の素粒子でできていると今でも信じています。さらに、LIGO ブラック ホールは、通常の星から来た場合に予想されるものとそれほど違いはありません。カーネギーメロン大学の天体物理学者であるカール・ロドリゲスは、「それは、実際には存在しない理論の穴を埋めるようなものです。 「LIGO のソースのいくつかには奇妙な点がありますが、これまでに見たすべてのことは、恒星の通常の進化プロセスを通じて説明できます。」
ハーバード大学の天体物理学者セルマ・デ・ミンクは、LIGO が観測した重いブラック ホール連星をどのように星だけで生成できるかについて理論をスケッチしましたが、もっと率直です。「天文学者はそれについて少し笑うことができると思います。
原始ブラックホールのシナリオによれば、それはありふれたものであり、恒星からは形成できない、太陽以下の質量のブラックホールを1つでも見つけられれば、この議論全体が一変するだろう。その後、観測を行うたびに LIGO の感度が向上し、最終的にそのような小さなブラック ホールを見つけるか、存在できる数に厳密な制限を設定できるようになりました。 「これは、ひも理論のような話ではありません。10 年か 30 年後に、それが正しいかどうかを議論しているかもしれません」とバーンズは言いました。
その間、他の天体物理学者が理論のさまざまな側面を調べています。たとえば、原初のブラック ホールに対する最も強い制約は、おそらくマイクロレンズ検索 (1990 年代に始まったのと同じ調査) によるものです。これらの取り組みでは、天文学者は明るいが遠く離れたソースを監視し、暗い物体が前を通過するかどうかを確認します。これらの調査では、小さなブラック ホールが均一に分散している可能性は長い間除外されてきました。
しかし、原始ブラック ホールが一定範囲の質量で存在し、それらが密集した大規模なクラスターに詰め込まれている場合、それらの結果は研究者が考えていたほど重要ではない可能性がある、と García-Bellido 氏は述べています。
今後の観測によって、最終的にはその疑問も解決されるかもしれません。欧州宇宙機関は最近、NASA の今後のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡に重要な追加機能を提供することに同意しました。これにより、画期的なマイクロレンズ研究が可能になります。
この追加は、原始ブラック ホールが複数の謎を説明できると主張した ESA の科学ディレクター、ギュンター ハシンガーの要請によるものでした。 Hasinger にとって、このアイデアは魅力的です。なぜなら、それは新しい粒子や新しい物理理論を呼び起こすものではないからです。古い要素を再利用するだけです。
「私は、まだそこにあるパズルのいくつかは、実際には自然に解決できると信じています」と彼は言いました。「別の目で見ると.」
この記事はに転載されました Wired.com .
