Non-particle dark matter
本論文は、非粒子ダークマターの候補としての原始ブラックホールに関する教育的な概説を提供し、その特性、インフレーションによる密度揺らぎを介した形成メカニズム、観測的プローブ、および当該分野における現在の未解決の問いを網羅している。
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宇宙は、銀河を繋ぎ止めている謎めいた物質で満たされていますが、それは光を放出せず、反射もせず、星や惑星、そして人間を構成する普通の物質とも相互作用しません。天文学者たちは、この目に見えない物質をダークマター（暗黒物質）と呼んでおり、それは存在する全物質の約85パーセントを占めています。数十年にわたり、有力な理論は、この物質が未知の素粒子、おそらくは重くて鈍いもの、あるいは軽くて幽霊のようなもので構成されているというものでした。しかし、新たな注目を集めている別の可能性があります。ダークマターは、そもそも粒子でできていないかもしれないというのです。その代わりに、原始ブラックホールで構成されている可能性があります。これらは、今日宇宙に一般的に存在する、巨大な星の死によって形成されるブラックホールではありません。原始ブラックホールは、宇宙が熱く高密度のエネルギーのスープであったビッグバン直後の、最初の一瞬に誕生した古代の遺物です。もしこれらが十分な数存在すれば、これらの小さく目に見えない重力の罠が、宇宙の形を作る欠落した質量となるかもしれません。
物理学者アン・グリーンによる新しいレビューは、これらの古代のブラックホールがいかに形成され、どのように振る舞い、そして天文学者がどのようにそれらを探索しているかを探求し、この分野の明確な地図を提供しています。物語は極めて初期の宇宙から始まります。インフレーションとして知られる急速な膨張の期間中、空間の織物は引き伸ばされ、ほとんどの不規則性は平滑化されました。しかし、量子力学は完全な平滑さは不可能であることを示唆しています。エネルギー密度の微小なゆらぎは避けられないものでした。ほとんどの領域では、これらのゆらぎは何も起こさせないほど小さかったのですが、稀に特定の場所では、物質とエネルギーの密度が十分に高くなり、重力が膨張する宇宙の外向きの圧力を圧倒することがありました。このようなことが起こると、領域が自ら崩壊し、ブラックホールを形成します。これは星が存在する前に行われたことであるため、これらは原始ブラックホールと呼ばれます。
このようなブラックホールの大きさは、それがいつ形成されたかに完全に基づいています。崩壊が早ければ早いほど、関与する空間の領域は小さくなり、結果として生じるブラックホールは軽くなります。ビッグバンのわずか数兆分の1秒後に形成されたブラックホールは、大きな小惑星の質量を持つことがあり、一方で少し遅れて形成されたものは、私たちの太陽と同じ、あるいは太陽よりもはるかに重い質量を持つこともあります。論文では、これらの天体がすべてのダークマターを構成するためには、初期の宇宙が、今日観測される宇宙マイクロ波背景放射に見られる穏やかなさざ波よりもはるかに大きなスケールで、極端な密度ゆらぎの爆発を経験していなければならないと説明されています。これには、インフレーションを駆動する場の挙動の変化や、膨張率の一時的な停止など、初期宇宙の物理学における特定の条件が必要です。標準的な初期宇宙モデルは自然にはこれほど重いゆらぎを生み出しませんが、著者は、特定の修正モデルであれば必要な条件を作り出せる可能性があるものの、それには基礎となる物理学の慎重な調整が必要であると述べています。
一度形成されると、これらのブラックホールは、十分な質量があれば現在まで生き残ってきたはずです。論文は決定的な閾値を強調しています。質量が約10^15グラムより軽いブラックホールは、ホーキング放射として知られる量子プロセスによって、とうの昔に蒸発してしまったはずです。ホーキング放射は、ブラックホールがゆっくりと質量を失い、最終的に消滅させる現象です。この限界より重い原始ブラックホールは、今もここに存在し、銀河の中を静かで目に見えない乗客として漂っているはずです。もしこれらがダークマターであるならば、それらは宇宙全体に分布し、その重力によって銀河を繋ぎ止めているはずです。
真の課題は、それらを見つけることにあります。それらは光らないため、天文学者は単に望遠鏡を向けて見つけることはできません。その代わりに、これらの天体が他のものの光や運動に与える影響を探らなければなりません。非常に軽い原始ブラックホールの探索は、それらが蒸発する直前に放出するであろう放射に焦点を当てています。もしこれら微小なブラックホールの群れが存在したならば、それらは今日、高エネルギー粒子やガンマ線を放出しているはずです。空の観測ではこのような過剰な放射は見つかっておらず、これにより、最も軽い原始ブラックホールがダークマターを構成するという説は事実上否定されました。
より重いブラックホールの場合、主要な検出方法はスター・マイクロレンズ現象です。この現象は、ブラックホールのようなコンパクトな天体が、地球と遠方の星の間に直接入り込んだときに起こります。ブラックホールの重力がレンズのように機能し、星からの光を屈曲させ、一時的に明るくさせます。近隣の銀河にある何百万もの星を監視することで、天文学者はこれらの短い光の閃光を探してきました。広範な調査の結果、いくつかのマイクロレンズ現象は確かに発生するものの、太陽質量またはそれ以上の質量を持つブラックホールで満たされた宇宙によって引き起こされるほど頻繁ではないことが判明しました。これらの観測は、太陽質量規模以上の原始ブラックホールの存在量に対して厳しい制限を課しており、それらがダークマターのすべてを説明することはできないことを示唆しています。
こうした制約にもかかわらず、私たちの知識には依然として大きな空白が存在します。論文は、現在の観測ではまだ原始ブラックホールの存在を否定できない、大きな小惑星から小さな月ほどの重さの「窓」が存在することを指摘しています。この範囲の天体は、蒸発するには重すぎ、一方で、より重い天体によって否定された強いマイクロレンズ効果を引き起こすには軽すぎるのです。この小惑星質量の窓こそが、原始ブラックホールがダークマターの全体を構成する可能性がある、最後のリミットです。
著者は、多くの可能性が排除されてきた一方で、問題は解決していないと結論づけています。原始ブラックホールの探索は、ダークマターの狩りであると同時に、初期宇宙に対する私たちの理解のテストでもあります。もしこれらの天体が見つかれば、それは初期宇宙が標準的なモデルが示唆するものよりも、はるかに荒々しく激しいものであったことを意味します。もし見つからなければ、それは私たちがダークマターは全く別の何かであるという結論に近づいていることを意味します。今後の道筋は、パルサーのタイミング測定から惑星軌道の微妙な揺らぎに至るまで、あらゆるものを用いて、その小惑星質量の窓を調査するための新しい技術を開発することにかかっています。それまでは、私たちの宇宙を満たしているダークマターの性質は、原始ブラックホールという説得力のある、しかし未証明の候補を伴ったまま、科学における最も深遠な謎の一つであり続けるでしょう。
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