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原子サイズの原始ブラックホールをどうやって見付けるか?

アインシュタインの一般相対性理論で最も興味深い予言のひとつが、光さえも通さないほど強い重力場を持つ天体、ブラックホールの存在である。

十分な質量をもつ星が燃料を使い果たすと爆発し、残った核が崩壊して恒星状ブラックホール(3~100太陽質量の大きさ)が形成される。

また、ほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在する。これは最も大きなブラックホールで、太陽の10万倍から100億倍の質量を持つ。

一つは銀河系M87の中心にあり、もう一つは我々の天の川銀河(いて座A*)にある。

このアニメーションは、この二つの巨大ブラックホールの大きさを比較したものだ。

しかし、もうひとつの種類のブラックホール、原始ブラックホール(PBH)が存在すると考えられている。PBHは他のブラックホールとは起源が異なり、宇宙初期に極めて高密度の領域が重力崩壊して形成されたものだ。

理論的には、この原始ブラックホールはどんな質量を持っていてもよく、大きさも素粒子から数百キロメートルまでと幅広い。例えば、エベレスト山に匹敵する質量をもつPBHは、原子ほどの大きさになることもある。

このような小さなブラックホールは、質量のあるブラックホールよりも速い速度で質量を失い、いわゆるホーキング放射を出しながら、最終的に蒸発していく。

これまで、天文学者はPBHを観測することが出来なかった。この超小型の天体は、長年待ち望まれていた宇宙の暗黒物質の一部ではないかと考えられており、現在も研究が続けられている。

最近の論文では、原子サイズの原始ブラックホールを検出する別のシナリオが提案されている。この研究では、これらの超小型ブラックホールと宇宙で最も密度の高い天体(中性子星)との相互作用の特徴的なシグナルを研究している。

この新しい天体物理学モデルに着手する前に、この魅力的な星の主な特徴について解説しておこう。

宇宙で最も密度が高い天体

大質量星が燃料を使い果たすと、爆発して核が崩壊し、恒星状ブラックホールになることは前述したとおりだ。ただし、核の質量が太陽質量の3倍以下であれば、中性子星になるなど、すべてのケースに当てはまるわけではない。

中性子星は非常に小さく、非常に高密度な天体だ。例えば、1.5太陽質量の星が直径わずか20km(マンハッタン島の大きさ)の球体に圧縮されるようなものだ。

中性子星の密度は非常に高く、大さじ1杯の星の物質で何百万トンもの重さになる。

最も若い中性子星はパルサーと呼ばれる亜流に属し、非常に速い速度(キッチンミキサーよりも速い)で回転しているこれらのパルサーは、周期的に地球に届く細いビームのような放射線を出している。

これらの天体は時間とともに冷えて回転速度を失い、検出が難しくなる。(最も高エネルギーのパルサーだけが観測されている)

原子サイズのPBHと中性子星との相互作用

原始ブラックホールは、暗黒物質の濃度が極めて高い銀河の領域に存在する可能性がある。そのため、宇宙をさまよい(様々な速度と方向で移動し)、やがて他の天体(ブラックホールや中性子星など)と相互作用する可能性がある。

その意味で、原子サイズのPBHは、温度が著しく低く、回転速度をほとんど失った古い中性子星に遭遇する可能性があるのだ。この研究によれば、このような遭遇の頻度は、年間20回程度になるという。しかし、これらの衝突のほとんどは、地球からの距離と方位が適切でないため、観測が困難である。

2つのシナリオが考えられる。1つは、PBHが中性子星に捕獲される場合、もう1つは、極小ブラックホールが遠距離からやってきて、NSの周りを回り、再び「無限遠」に出ていく場合(つまり、散乱現象)である。このように、捕獲と散乱という軌道の違いによって、特徴的な信号が発生するのである。

次のアニメーションでは、散乱現象の詳細が示されている。

この信号はガンマ線バースト(GRB)と呼ばれ、宇宙で最もエネルギーの高い現象のひとつと考えられている。

GRBの一種

この高エネルギー過渡放射は、ミリ秒から数時間続き、発生源は地球から何十億光年も離れたところにある。大量のエネルギーが非常に細いビームとして放出されるのだ。

短いものは中性子星やブラックホールの合体で、長いものは大質量星の死(いわゆる超新星爆発)で発生する。

今回のケースでは、GRBは約35秒の継続時間で、滑らかで持続的な発光の後、わずか100分の数秒で急激に減衰するという非常に特殊な条件だ。

原子サイズのPBHの検出は不可能なのか?

このような小さなブラックホールを探索することは、複雑なため、簡単に答えられることではない。

しかし、もしこのような特殊なGRBが現代の望遠鏡で測定されれば(そしてこの研究で報告された特定のサインと一致すれば)、宇宙初期にPBHと中性子星の相互作用が起こったと主張することができるかも知れない。

つまり、ホーキング博士が予言した低質量の始原的ブラックホールの実験的証拠となるのだ。

これは簡単なことではないが(もしかしたら、そのようなGRBは見つからないかもしれません)、そのような可能性を完全に排除することは出来ない。


本記事は、Oscar del Barco Novillo氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「How could we detect atom-sized primordial black holes?」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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