ブラック ホール、重力波、アクシオンと呼ばれるほとんど質量のない架空の粒子ほど心を曲げるものはほとんどありません。これらの粒子は、重力が銀河をまとめている謎の暗黒物質である可能性があります。現在、理論物理学者のチームが、驚くべき方法で 3 つすべてを結びつけることに成功しました。アクシオンが存在し、適切な質量を持っている場合、回転するブラック ホールは粒子の膨大な雲を生成し、1 年前にレーザー干渉計重力波によって発見されたものと同様の重力波を生成するはずである、と彼らは主張します。天文台（LIGO）。この考えが正しければ、間接的ではありますが、LIGO はアクシオンを検出できる可能性があります。
マサチューセッツ工科大学 (MIT) (ケンブリッジ) の素粒子天体物理学者である Tracy Slatyer は、「これは素晴らしいアイデアです」と述べています。 「[LIGO] データがそこにあるでしょう。何かが見られたら素晴らしいことです。」 MITの理論素粒子物理学者であるベンジャミン・サフディも熱心です。 「これは、この質量範囲の粒子を探すための最良のアイデアです」と彼は言います。
ブラックホールとは、巨大な星が燃え尽きて崩壊したときに残される強力な重力場です。ブラックホールの「事象の地平線」を定義するその点から一定の距離内では、重力が非常に強くなり、光でさえ逃げることができなくなります。 2015 年 9 月、LIGO は、2 つのブラック ホールの合体から発せられた重力波と呼ばれる宇宙のさざ波のバーストを検出しました。
アクシオンは、もし存在するとすれば、荷電していない粒子であり、おそらく電子またはライターの 10 億分の 1 の質量を持っています。 1970 年代に考案されたもので、陽子と中性子を構成するクォークとグルオンと呼ばれる粒子の理論における興味深い数学的対称性を説明するのに役立ちます。浮遊しているアクシオンは、宇宙の全物質の 85% を占めると考えられている暗黒物質である可能性もあります。素粒子物理学者は、磁場を使用してアクシオンを光子に変換しようとする実験でアクシオンを探しています。
しかし、ルイジアナ州とワシントン州にある LIGO とその 2 つの検出器を使ってブラック ホールを研究することで、アクシオンを検出できる可能性があると、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論家であるアシミナ アルヴァニタキとマーシャ バリャクタールとその同僚は主張しています。
その質量が適切な範囲内にある場合、ブラック ホールの周りの軌道にとどまっているアクシオンは、多くの状況で発生し、特定の種類のレーザーで光子を増殖させる超放射と呼ばれるプロセスを受けるはずです。アクシオンがブラック ホールの事象の地平線の近くに迷い込んだが交差しない場合、ブラック ホールのスピンはアクシオンにエネルギーのブーストを与えます。そして、アクシオンは光子のようないくつかの特性を持つ量子粒子であるため、そのブーストはより多くのアクシオンを作成し、同じようにブラックホールと相互作用します.したがって、暴走プロセスは膨大な数の粒子を生成するはずです。
しかし、これが起こるためには、重要な条件が満たされなければなりません。アクシオンのような量子粒子も波のように振る舞うことができ、軽い粒子ほど波長が長くなります。スーパーラディアンスが作動するには、アクシオンの波長がブラック ホールの幅と同じ長さでなければなりません。したがって、アクシオンの質量は非常に軽くなければなりません。現在の実験室での実験で調べられている範囲の 1/10,000,000 から 1/10,000 の間です。アクシオンも意のままに出現するだけでなく、原子内の電子の軌道のような巨大な量子波に群がります。幻想的に聞こえるかもしれませんが、超放射の基本的な物理学は十分に確立されていると Safdi は言います。
アクシオン クラウドは、さまざまな形で姿を現す可能性がある、と Baryakhtar 氏は言います。最も有望なのは、雲の中で衝突するアクシオンが互いに消滅してグラビトンを生成することです。この粒子は、光子が光を構成するのと同じように、重力波を構成すると考えられています。秩序だった量子雲から出現したグラビトンは、アクシオンの質量によって設定された周波数で連続波を形成します。 Physical Review D に 2 月 8 日に掲載された論文で、LIGO はそのようなソースを年間数千個発見できると Baryakhtar と同僚は見積もっています。 —これらの継続的な信号を追跡することは、衝突するブラックホールからのバーストを検出するよりも難しいかもしれません.複数の同じ周波数の音源を発見することは、アクシオンの「決め手」になるだろう、と Slatyer は言う.
アクシオン雲も間接信号を生成する可能性があります。原則として、ブラックホールは光速に近い速度で自転することができます。ただし、アクシオンを生成すると、ブラック ホールの角運動量が吸収され、速度が低下します。その結果、LIGO は、衝突するブラック ホールのスピンがその極限速度に到達することは決してなく、それをはるかに下回って最高速度に達することを観測する必要がある、と Baryakhtar 氏は言います。 LIGO は衝突するブラック ホールのスピンをわずか 25% の精度で測定できるため、そのスピンの限界を検出することは困難です。
Safdi は、この分析は、LIGO が多くのブラックホールの合併を見て、期待どおりに機能することを前提としていると警告しています。そして、LIGO が信号を認識しない場合でも、アクシオンを除外することはできない、と彼は言います。それでも彼は、「これはおそらく、重力波で調べる可能性のある新しい物理学について、これまでに見た中で最も有望な論文です。」
