巨大ブラックホールと暗黒物質は熱い起源の物語を共有しているかもしれない

宇宙には謎の巨大ブラックホールが存在します。科学者の予想よりも大きく、速く成長したブラックホールです。最近の研究によると、これらの巨大ブラックホールの形成は、宇宙のもう一つの謎である暗黒物質と共通の根源を持っている可能性があります。

天体物理学者は、恒星の激しい死によって、通常太陽の数十倍の質量を持つブラックホールが形成される可能性があることを知っています。しかし、天文学者は太陽の数十億倍の質量を持つブラックホールを観測したことがある、とニューヨークのブルックヘブン国立研究所の理論素粒子物理学者で、先月フィジカル・レビュー・レターズ誌に発表された研究の著者であるフーマン・ダヴォディアスルは述べています。さらに、これらの「巨人」は宇宙の歴史の最初の10億年から存在していたという証拠もあります。

ブラックホールは星を吸収したり互いに合体したりして時間とともに成長するが、科学者たちは、最大級のブラックホールのいくつかが、宇宙の歴史の最初の約10パーセントの間に、どのようにしてこれほど急速にその大きさに達するほどの星を飲み込んだのかはわかっていない。

考えられる説明の一つは、これらのブラックホールが原始的、つまり宇宙初期に形成され、最初の星よりも古いということだとダヴォディアスル氏は言う。当時、宇宙は今よりはるかに高温で高密度であり、太陽の中心核の温度とほぼ同じだった。

初期宇宙が急速な変化を経験したという事実が研究グループの理論の鍵だと、ブルックヘブン国立研究所の物理学者でこの研究のもう一人の著者であるジュリア・ゲーライン氏は言う。

彼らが相転移と呼ぶこの変化により、初期宇宙の最も密度の高い領域が崩壊してブラックホールになる可能性が高まりました。これは、たとえば液体の水が気体になるなど、物質の状態で見られる相転移に少し似ています、とゲールライン氏は言います。「水は相転移の前後で異なる挙動を示します」と彼女は言い、初期宇宙の粒子についても同じことが言えます。

その遷移は「激しく激しい出来事」となり、重力波を生み出す可能性があるとダヴォディアスル氏は言う。

それは科学者が「ダークセクター」と呼ぶ、直接観測できない暗黒物質やその他の粒子の間で起こったはずだ。ダークセクターとは、原子を構成する「私たちが知っている標準モデルの粒子」以外のものすべてを意味するとゲールライン氏は言う。

[関連: ブラックホールの重要なパラドックスについては、まだ不明]

原始ブラックホールの形成が起こったかどうか、またどのように起こったかは、科学者の間でも議論の的となっている。相転移により、宇宙のいくつかの高密度領域が崩壊して原始超大質量ブラックホールになった可能性があるとゲールライン氏は言う。他のグループもこの種の転移の影響を研究してきたが、この研究は超大質量ブラックホールと暗黒物質をこのように結び付けた初めての研究だと同氏は言う。

「ダークマター候補の質量とこれらのブラックホールの質量を互いに関連付けることができるのは、どちらもこの遷移が起こる温度に依存しているからです」とゲールライン氏は言う。太陽の中心核と同等の温度は、超軽量ダークマターの形成理論と原始ブラックホールの形成理論によく合致する。

一方、相転移により、超軽量の暗黒物質粒子の存在ももたらされた可能性がある。この粒子の質量は、現在知られている中で最も軽い粒子であるニュートリノの質量のほんの一部に過ぎない。

ブラックホールの成長と暗黒物質が存在する理由をめぐる謎は「同じコインの裏表」である可能性があるとダヴォディアスル氏は言う。「この現象、つまりその温度で起こったこの相転移がこれらの超大質量ブラックホールを生み出した」のであれば、超軽量の暗黒物質粒子を形成するのに「ちょうどいい材料を提供した」はずだと彼は言う。

超大質量ブラックホールの形成と暗黒物質の性質はどちらも「現代の天文学と物理学における最も差し迫った未解決の問題である」と、この研究には関与していないウィーン大学の天文学者、タニャ・リンドラー・ダラー氏は言う。

「両方を一度に説得力を持って説明できるモデルは、それが現実に実現すれば間違いなく革命的なものとなるだろう」とリンドラー・ダラー氏は言う。

ゲールライン氏によると、研究者は主に2つの方法でこの理論を証明または反証する兆候を探すことができる。粒子が銀河の天体物理学に与える影響を研究することで、超軽量の暗黒物質が存在するかどうかを解明することができる。また、研究者が初期宇宙で生成された重力波を測定することも可能だ。研究者は、先進レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）で検出されるものとは異なる周波数の将来の検出器を使用して、初期宇宙のこの混乱した時代のさざ波を垣間見ることができるかもしれない。