ビッグバンのエキゾチックな条件で形成された原始孔は、それ自体が物質や放射線の供給源になっていたのかも知れない。

初期宇宙の標準的なストーリーは、次のようなものだ。私たちの宇宙が信じられないほど若かったとき、宇宙はインフレーションと呼ばれる信じられないほど急速な膨張の時期を迎えた。その後、インフレーションが終わり、高温のビッグバンで粒子と放射線が宇宙を覆い尽くした。その後、宇宙は膨張と冷却を繰り返し、物質と放射線の密度が低下していった。やがて、星や銀河、星団を知らせる物質が集まってきた。

しかし、新しい研究によると、この単純な物語には、原始ブラックホールという重要な要素が欠けている可能性がある。現在のところ、ブラックホールを作る確実な方法は1つしか分かっていない。それは、大質量星が死ぬことである。大質量星が寿命を迎えて自壊するとき、その密度は他のあらゆる力を圧倒するほど高くなり、ブラックホール形成の引き金となる。

しかし、初期の宇宙は、それなりにブラックホールを作るのに十分なエキゾチックなものであったかも知れない。インフレーションが終わり、宇宙が冷え始めたとき、それはスムーズで穏やかなプロセスではなかった。エネルギーと質量があちこちで大きく変化し、信じられないほど激しく変化したのだ。そのため、星の形成を経ずとも、宇宙の一部が自然に高密度になり、直接ブラックホールを形成した可能性がある。それが原始ブラックホールと呼ばれるものだ。

宇宙論的な観測により、初期宇宙に存在しうる原始ブラックホールの数には、すでに厳しい制限がかけられている。しかし、まだブラックホールが存在する余地はあるのだ。そして、研究者チームは、これらの始原的ブラックホールの形成がもたらす予期せぬ結果を探る論文をまとめた。

スティーブン・ホーキング博士の研究により、ブラックホールは完全に黒いわけではないことが分かっている。ホーキング放射として知られるエキゾチックな量子過程によって、ブラックホールは実際に少し光っているのだ。通常の大きさのブラックホールでは、この過程は非常に非効率的だ。一般的なブラックホールでは、1年に1回程度しか放射線を放出しない。しかし、より小さなブラックホールは、より多くの放射線を放出する。

もし原始ブラックホールが十分に小さければ、宇宙がまだ未熟なうちに完全に蒸発してしまい、その存在の痕跡を残さないはずだ。しかし、研究者たちは、このことが不思議な事態を引き起こすことを発見した。原始ブラックホールが蒸発する際に、放射線と物質が大量に放出されたのだ。

宇宙の膨張にもかかわらず、原始ブラックホールが十分に蒸発すれば、物質と放射線の密度が一定に保たれる可能性がある。このことは、ブラックホールを利用したビッグバンシナリオの延長線上にある。

最終的には、すべての原始ブラックホールは消え去り、残りの宇宙史はブラックホールなしで進むことになる。しかし、ブラックホールはその痕跡を残すだろう。物質と放射線の密度の変化は、現代でも検出できるような長期的な影響を与える可能性がある。また、原始ブラックホールの蒸発は、それ自体が重力波の形成の引き金となり、現在も残っているかも知れない。

原始ブラックホールの直接的な証拠を見つけることはできないかも知れないが、宇宙のいたるところにその微妙な指紋を見つけることができるかもしれないことを研究者たちは発見したのだ。

論文

• arXiv: Primordial Black Holes Place the Universe in Stasis

研究の要旨

初期宇宙論の様々なシナリオでは、幅広い質量を持つ原始ブラックホール（PBH）の集団が存在する。このようなシナリオでは、PBHが蒸発することで、宇宙が膨張しても物質と放射線の量が全く変わらない「静止状態」になる可能性がある。この驚くべき現象は、初期宇宙のダイナミクスに新たな可能性を与え、そのようなPBHの蒸発の特徴的なサインを導き出すことができる。この論文では、この「静止期」がどのように生じるかを議論し、インフレーション観測値、確率的重力波背景、バリオジェネシス、暗黒物質と暗黒放射線の生成への影響など、その現象論的帰結を探求している。

この記事は、PAUL M. SUTTER氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。