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“暗黒物質”で出来た星が見つかったかも知れない

これまで、小さなブラックホールの周りを星が回っている、(宇宙では)比較的単純なケースだと考えられていたケースが、実はもっとエキゾチックなもの、つまりこれまでに見たことのない、目に見えない暗黒物質だけで構成された星「ボソン星」である可能性があるとする研究結果が、プレプリントサーバーarXivに掲載された。

この星系は、太陽のような星と、それ以外の何かで構成されている。恒星の重さは太陽より少し小さく(0.93太陽質量)、化学組成は我々の恒星とほぼ同じである。その謎の伴星はもっと巨大で、約11太陽質量の質量を持っている。この天体は、1.4天文単位という、火星が太陽の周りを回るのと同じくらいの距離で互いに公転しており、188日ごとに公転している。

この目に見えない天体は、これまでブラックホールだと考えられていた。軌道の観測からすると、ブラックホールであるとする考えがしっくりくるのだが、その仮説には課題もあった。ブラックホールは、非常に大きな星が死んでできたもので、このような状況を作り出すには、太陽のような星がその怪物のひとつと一緒に形成される必要があるのだ。完全に不可能というわけではないが、このようなシナリオを実現し、何百万年もの間、互いの天体を周回させるためには、並外れた微調整が必要である。

そこで、研究者たちは考えた。暗い伴星は、もっとエキゾチックなものなのかもしれない。「もしかしたら、それは暗黒物質粒子の塊かも知れない」と。

暗黒物質とは、銀河の質量の大部分を占める目に見えない物質である。しかし、その正体についてはまだよくわかっていない。ほとんどの理論モデルでは、暗黒物質は各銀河に滑らかに分布していると仮定されているが、暗黒物質がそれ自体で塊になることを許容するモデルもある。

その一つが、暗黒物質が新しい種類のボース粒子(ボソン)であるという仮説だ。ボソンとは、自然界の力を担う粒子で、例えば、光子は電磁気力を担うボソンである。素粒子物理学の標準モデルでは、ボソンの種類は限られているが、原理的には、宇宙にはもっと多くの種類のボソンが存在する可能性があるのだ。

このような種類のボソンは力を持たないが、それでも宇宙に影響を与えることが出来る。最も重要なのは、大きな塊を形成する能力を持っていることだ。この塊は、星系全体の大きさになるものもあれば、もっと小さいものもある。ボソン暗黒物質の最も小さな塊は、星と同じ大きさになる可能性があり、これらの仮想天体にはボソン星という新しい名前が付けられている。

ボソン星は全く見えない。暗黒物質は他の粒子や光と相互作用しないので、通常の星がボソン星の周りを回るように、周囲に及ぼす重力の影響によってのみ検出できるのだ。

研究者らは、ボソン暗黒物質の単純なモデルであれば、GAIAのデータでこの結果をもっともらしくするのに十分なボソン星が生成でき、推定されるブラックホールをボソン星に置き換えれば、観測データのすべてを説明できると指摘している。

これが実際にボソン星が発見されたとは考えにくいが、著者らは依然として追跡観測を強く求めている。最も重要なことは、このユニークな系が強い重力の振る舞いを研究する貴重な機会を与えてくれることで、アインシュタインの一般相対性理論が成立するかどうかを検証することができる。第二に、もしボソン星であれば、この星系は完璧な実験装置となる。ボソン星のモデルを弄って、この星系の軌道力学をどれだけ説明できるか、そしてその情報を使って宇宙の暗部を垣間見ることができるのだ。


論文

参考文献

研究の要旨

高精度天体観測ミッションGAIAは、最近、太陽に似た星が暗黒天体を密接に周回し、その半長軸と周期がそれぞれ1.4AUと187.8日であるという驚くべき発見をしたことを報告した。この暗黒天体はブラックホールであることが有力視されているが、このような二体系が形成される進化的なメカニズムは非常に困難だ。ここでは、中心ブラックホールのシナリオに挑戦し、中心暗黒天体がボソンスターと呼ばれるスピン0またはスピン1のボソン粒子の安定した塊であれば、観測された軌道ダイナミクスはかなり一般的な仮定で説明できることを示す。さらに、今後、同様の系を天体観測することで、コンパクトな天体の基本的な性質を探り、ブラックホールに代わるコンパクトな天体を検証するエキサイティングな機会を提供することを説明する。

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