A wormhole with two black holes

宇宙の配管：時空の織物への旅

宇宙を、平坦で空虚な舞台としてではなく、伸縮性のある三次元の織物として想像してみてください。これはアインシュタインの重力理論の遊び場であり、そこでは星やブラックホールのような巨大な物体が、重いボウリングの球のように振る舞い、周囲の織物を湾曲させます。通常、私たちはこの織物を単一の連続したシートだと考えています。しかし、もしそのシートを折り畳み、二つの離れた点を縫い合わせることができたらどうなるでしょうか？ あなたは、「ワームホール」として知られる、空間と時間を通り抜けるショートカット（トンネル）を作り出すことになるでしょう。SFの世界では、瞬間移動のためにこれらのトンネルを好んで描きますが、現実の物理学はもっと厳格です。ワームホールを開いたままにしておくには、通常、「エキゾチック」なもの、つまり通常の重力の法則に抗って外側へと押し返すような物質が必要になります。しかし、一部の物理学者は、自然界が標準的な重力の規則のみを用いて、これらのトンネルを構築する巧妙な方法を見つけ出しているのではないかと考えています。おそらく、それは「宇宙紐（コスミック・ストリング）」と呼ばれる、細く目に見えない張力の線の中にその奇妙さを隠しているのかもしれません。こうした理論的な構造を理解することは、物理法則の限界、すなわち、法則がどこで破綻し、宇宙が実際にどのような奇妙な形状を取り得るのかをテストすることに繋がります。

論文の発見：二重ブラックホール・ワームホール

この論文において、物理学者のジェラール・クレメントは、アインシュタインの方程式（真空における重力の仕組みを記述する一連の規則。つまり、通常の物質が存在しない状態）に対する、非常に特定の数学的解を探求しています。彼は、静止しており（時間によって変化せず）、かつ驚くべき二人のゲストを宿したワームホールのモデルを構築しました。それは、トンネルの両側に位置する、同じ方向に回転する二つのブラックホールです。

このワームホールを、宇宙の砂時計と考えてみてください。中央の最も狭い部分が、二つの異なる宇宙（あるいは同一宇宙内の離れた二つの領域）を繋ぐ「スロート（喉）」です。通常、二つのブラックホールを近くに配置すると、それらは衝突するか、あるいは互いに離れて飛んでいってしまいます。これらを静止した状態でバランスを保たせるためには、多くの場合、「ストラット（剛棒）」や「ミスナー・ストリング（奇妙で目に見えない張力の線）」といったものが必要になります。クレメントの解がユニークなのは、これら二つのブラックホールが、そのようなストラットやストリングによって互いに接続されていない点にあります。代わりに、彼らは二本の半無限の宇宙紐によって、ワームホールの遠い端から「吊り下げられて」いるのです。

ワームホールを、二つの崖の間の橋と考えてみてください。二つのブラックホールは、橋の上に置かれた重いランタンのようなものです。互いに結びつけられる代わりに、それぞれのランタンは、それぞれの側の崖の端へと伸びる、長く目に見えないロープによって吊り下げられています。これらのロープが宇宙紐です。興味深いことに、クレメントが方程式で使用する特定の数値によっては、これらの紐は「正の張力」（通常のロープのようにピンと張る）を持つこともあれば、「負の張力」（外側へ押し出す）を持つこともあります。この設定により、ブラックホールは互いに触れることなく、平衡状態で吊り下げられることが可能になります。

しかし、この宇宙的な構造には深刻な注意事項が伴います。論文によれば、パラメータ（質量やスピンを定義する数値）のほぼすべての設定において、このワームホールは「裸のリング特異点」を含んでいます。これを視覚化するには、ワ wormhole のスロートの真ん中に、無限の密度を持つ平坦で回転するリングが座っている様子を想像してください。通常のブラックホールは、その危険な中心部をイベント・ホライゾン（事象の地平線／帰還不能点）の後ろに隠していますが、このリングは「裸」の状態であり、宇宙の他の部分に露出しています。論文は、もしあなたがこのリングに向かって経路（測地線）を進んだ場合、あなたの旅はその場所で唐突に終了してしまうことを示しています。

さらに、この裸のリングの存在は、時間の振る舞いが奇妙になる領域を生み出します。数学的な示唆によれば、このワームホールの限定された体積内には、「閉じた時間様曲線」が存在します。より簡単に言えば、これは空間上の経路が時間的に自分自身にループバックすることを意味し、理論的には、物体が自身の過去へと戻ることを可能にします。これはタイムマシンのように聞こえますが、論文ではこれを実用的な装置としてではなく、解に伴う数学的な帰結として扱っています。

著者また、特別な簡略化されたケースについても述べています。方程式における特定の無次元パラメータが正確に1に設定されると、宇宙紐は完全に消失し（その張力はゼロになり）、裸のリング特異点も消滅します。この非常に特定のシナリオでは、複雑なワームホール解は、よく知られた単一の回転ブラックホール（カー・ブラックホール）の解へと簡略化されます。しかし、論文で記述されている一般的なケースにおいては、宇宙はより奇妙な場所となります。二つの回転するブラックホールを保持し、宇宙紐によって吊り下げられ、その中心には危険で露出した無限密度のリングがあり、同時に時間のループの可能性さえも許容しているのです。

この解は、ある「グラビマグネティック・ダイポール（重磁気双極子）」（二つのブラックホールがミスナー・ストリングによって接続されたシステム）を含む既知の解から、「解析接続」と呼ばれる数学的なトリックを用いることで導き出されたものです。このトリックによって、接続されていたストリングを、二本の吊り下げられた紐とワームホールのスロートへと変換しました。これは理論的なモデルであり、空にある実在の天体を観測したものではありませんが、重力の方程式によって許容される野生的な可能性を垣間見せてくれる、魅力的な洞察を提供しています。