ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は暗黒物質の謎を解くのに役立つかもしれない

最近復活した古い理論を研究する新しい研究によると、暗黒物質は太古のブラックホールで構成されている可能性がある。来年には、NASA が最近打ち上げたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測で、宇宙の誕生時に多くのブラックホールが形成されたことが示唆されるかもしれない。これらの観測は、暗黒物質の重力効果さえも説明するかもしれない。

多くの素粒子物理学モデルは、暗黒物質を、いわゆる「弱く相互作用する巨大粒子」を使って説明しています。これは、重力によって通常の物質を引っ張る、重く動きの遅い理論上の粒子です。しかし、その説明は「最近の実験データとますます矛盾している」と、暗黒物質と素粒子物理学を研究しているサンタクルーズ大学の物理学者で博士課程のベンジャミン・レーマン氏は言います。同氏は今回の研究には関わっていません。そのため、素粒子物理学界は、新しいモデルで過去の理論を再検討するなど、暗黒物質の他の候補を探求することに熱心でした。

1970 年代初頭、スティーブン・ホーキングは、超高温でコンパクトな初期宇宙の高密度ポケットが最初のブラックホールになった可能性があると予測しました。太古の昔に原始ブラックホールとして知られるブラックホールが作られたのは、宇宙の大規模構造がビッグバン直後の小さな変動の結果であるという重要な事実に基づいています。

この理論によれば、これらの変動の塊は臨界密度に達し、ブラックホールになる準備が整うが、周囲の高熱のため瞬​​時に崩壊することはできない。粒子は非常に高温で「狂ったように飛び回っている」ため、宇宙が広がり、ブラックホールが可能な程度に冷えるまでブラックホールに崩壊することはできないと、欧州宇宙機関の科学部長で、X線天文学の専門家であり、天体物理学ジャーナルに掲載される新しい研究の著者でもあるギュンター・ハシンガー氏は言う。

この崩壊は、クォークと呼ばれる素粒子が陽子に凝集できるようになった瞬間にのみ起こり、それは宇宙が誕生したわずか一秒前に始まるとハシンガー氏は言う。

研究チームは、現在私たちが見ている宇宙が原始ブラックホールの「この新しい宇宙論」によ​​って作られたのかどうかを調べることにしたと、研究を率いたマイアミ大学の天体物理学者ニコ・カペルッティ氏は言う。彼らのモデルは、原始ブラックホールが暗黒物質として働く宇宙は、私たちの宇宙にかなり近い可能性があることを発見した。

「原始ブラックホールと暗黒物質は相互に排他的ではありません」とレーマン氏は言う。「原始ブラックホールは暗黒物質の可能性のある一形態です。」このモデル1つで検証できる科学的パズルの数は驚異的であり、研究方法は徹底的だったと彼は言う。

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研究チームのモデルでは、星はおよそ5000万年後に形成されると予測されているが、これは標準モデルで予測される3億年よりはるかに早い。科学者は宇宙の遥か遠くの太古の領域を詳しく観察することで、この違いを解明できるかもしれないとカペルッティ氏は言う。

135億年以上前の信号を調査するために設計されたジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、ホーキング博士の数十年前のアイデアと暗黒物質をつなぐ架け橋となる可能性がある。ホーキング博士が原始ブラックホールを提唱した当時、研究者たちは「スケール感を本当に持っていなかった」とハシンガー氏は言う。研究者たちは、生成されるブラックホールは非常に小さいだろうと考え、その後数年間、科学者たちは小さなブラックホールから発生するガンマ線を探した。しかし、ガンマ線が見つからなかったため、このアイデアはほとんどの研究者によって数十年にわたって棚上げされていた。

科学者たちは、原始ブラックホールが幅広いサイズで存在し、その中にははるかに重いものも含まれることに気づいたのはずっと後のことだった。ハシンガー氏によると、原始ブラックホールの考えは、天文学者が予想していたよりも重いブラックホールの存在を示した最初の重力波検出の後も大きな注目を集めたという。

カペルッティ氏は、今日の最高の望遠鏡をもってしても、科学者らの初期宇宙に関する知識には「大きなギャップ」がまだあると語る。天文学者は宇宙の歴史のうち最新の130億年を観測できるが、宇宙の歴史は140億年ほどだ。その失われた10億年は、太陽の質量の何十億倍もある巨大なブラックホールがどのようにしてできたのかなど、答えのない疑問でいっぱいだと同氏は語る。こうした超大質量ブラックホールの形成は、研究者らの現在の物理学の知識では説明が難しい。

ヘイシンガー氏は、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡が、ハッブル宇宙望遠鏡が初めて観測された最古の銀河の多くを発見した「ディープフィールド」と呼ばれる宇宙の暗黒領域に、もし星が存在するなら、それを観測できると確信している。そして、もしそれが実現すれば、観測所の運用開始から数ヶ月以内に実現する可能性が高い。

カペルッティ氏は、ジェイムズ・ウェッブは「その窓」を遠い時代へと開くだろうと語る。原始銀河が予想よりはるかに多かったことが判明すれば、その数と特性は原始ブラックホールが存在するかどうかの良い指標となるかもしれない。しかし、カペルッティ氏は「決定的な証拠」は、原始ブラックホールからの重力波が将来的に検出される可能性が最も高いと語る。

レーマン氏は、ジェイムズ・ウェッブ氏が著者らのモデルを検証できる「素晴らしい可能性」があると考えている。しかし、同氏は「これによって暗黒物質が原始ブラックホールで構成されているかどうかという疑問が完全に解決されることはないだろう」と考えている。

科学者は通常、自分の理論が正しいことを証明しようとはせず、ただ理論を思いついて「それを打ち破ろうとする」だけだとハシンガー氏は言う。理論に穴を開ける試みが失敗するほど、その理論はより確固たるものになる。もしそれを打ち破ることができなければ、その理論は生き残る。少なくとも次の世代の実験と発見までは。

研究チームの理論が否定されるかどうかに関わらず、今後の観測は原始ブラックホールの探索における大きな節目となる可能性がある。科学者がウェッブの最も深い観測を調べて「標準モデルからの変化の兆候が見られなかったら、私たちは困ったことになる」とハシンガー氏は言う。

訂正、2022年1月7日：この記事の以前のバージョンでは、太古の超大質量ブラックホールの質量は太陽の何百万倍にもなると述べられていました。実際は、太陽の何十億倍もの質量を持つことになります。