原始ブラックホールは、インフレ時に生じた息子宇宙か？ – Kavli IPMU | 私蝶ニュース

東京国際高等研究所宇宙物理学、数学研究所（Kavli IPMU）が宇宙初期の加速膨張であるインフレ時に生じた「子宇宙」がその後の生ブラックホールになったという理論を提唱した。 また、この理論では提示されたシナリオでは、ハワイのすばる望遠鏡に搭載された超広視野主焦点カメラハイパーシュプリームカム（HSC）を利用した生のブラックホールを探索観測検証することができることが分かったことがあり発表された。

この成果は、Kavli IPMUのウラジミール炊きスト後特任研究員、同・杉山正直大学院生、同・高田昌弘主任研究員、アメリカ、カリフォルニア工科大学ロサンゼルスのアレキサンダークセンコー教授素粒子理論、宇宙論、天文学など、様々な関連分野の研究者が結集した国際共同研究チームによるもの。詳細については、米国物理学会が発刊する学術誌「Physical Review Letters」のオンライン掲載された。

1970年頃に、故スティーブン・ホーキング博士によって提唱された宇宙初期に形成されたことが分かった “生ブラックホール」は、巨大な星が超新星爆発後に残っている恒星質量ブラックホールとは別のタイプである。この生のブラックホールが宇宙の様々な謎を一度に解明することができるという点で、最近注目を集めている。

その例えば、重力波望遠鏡で観測された “ブラックホール連星の起源”ほとんどの銀河の中心に位置すると考えられ、太陽質量の数百万倍数億倍は「超大型質量ブラックホールの起源」などがある。その他、宇宙空間を漂う原始ブラックホールが中性子星と衝突して、金や白金などの元素の生成に寄与するなどの可能性もあるという。

このような中、特に注目されているのが「暗黒物質=原始ブラックホール」の可能性である。 暗黒物質は「暗黒エネルギー」と宇宙の約96％を占める二謎の一つである。 宇宙の約75％を占めるのが、宇宙を膨張させていると考えられている暗黒エネルギーの20％以上を占めるとされていることが暗黒物質である（私たちと星などを構成する通常の物質はわずか4％にしかならない）。

暗黒物質は、通常の物質は、重力のみの相互作用せず、ありとあらゆる電磁波光で観測することができない物質である。 発見されていない仮想粒子アクシオンも暗黒物質の候補として研究が進められるが、そのライバル的存在ともいえるのが、生ブラックホールである。 ブラックホールなら降着円盤がない限り、ブラックホールそのものを観測することは不可能である。 このような背景を受け、国際共同研究チームは、生のブラックホールの調査をするために、初期の宇宙を扱った理論への糸口を求めたという。

これまでの研究を通じて、原始ブラックホールは、ビッグバンによって宇宙が誕生して間もない頃に誕生した可能性があると考えられる。 その条件は、宇宙が誕生してまだ間もない頃、まだ高温・高密度の火の玉状態であった宇宙での平均密度で30％程度の大きな空間領域が存在する場合、強い重力のために、その空間自体が崩壊して、生ブラックホールが形成されるとする。

しかし、これまでの観測など、宇宙初期に起こったと思われる急激な加速膨張期間インフレ中に発生した密度の揺らぎ（密度の不均一性）は、非常に小さかった知っている生のブラックホールの形成は極めてまれにしか形成されないことが分かった。

しかし、宇宙は人類が創造することができないほど広大である。 非常に初期の宇宙はあっても、誕生した瞬間は、生よりもはるかに小さいと考えられているが、インフレ驚異的な速度で拡大していった結果、様々な場所で少しずつでも原始ブラックホールが形成され、宇宙全体から見ればホコリも積もれば山となると膨大な数です原始ブラックホールは暗黒物質になることがあるということだ。 また、初期の宇宙の様々な物理的過程でも、生ブラックホールは、形成される可能性があることも明らかになっている。

国際共同研究チームは、初期宇宙の理論でインフレ時生まれたかもしれないが、息子、宇宙からの生のブラックホールが形成された可能性に注目した。 宇宙は一つのユニバース（ユニは一つという意味がある）の代わりに「マルチバス（多重宇宙）」という考えが一時SFするのが好きとも呼ばれたが、現在では研究者の間ではあまり奇抜理論ではなく、されている。

マルチバスは親宇宙から息子宇宙が生まれ続けて高い次元空間の中に無数の宇宙があるという考えだ。 私たちが今存在しているが、宇宙でも、かつては他の親宇宙で生まれた、私たちの宇宙もするようにし、宇宙を無数に誕生させている仮説である。 国際共同研究チームが今回提唱したのは多くの生まれた息子、宇宙の多くが収縮してしまい、その結果、生のブラックホールが形成されるとする説である。

• マルチバスのイメージ。 宇宙が誕生して間もない頃に起こったインフレ時、私たちの宇宙の中で多くの人の息子の宇宙が生まれ、彼らはその後、収縮して、現在は、生ブラックホールに見える可能性が今回提起された。 （c）Kavli IPMU（出典：Kavli IPMU Webサイト）

また一方で大きく成長した息子の宇宙も多いと考えられ、それらをより奇妙な現象も起こることがあるという。 アインシュタインの重力理論の予測によると、息子宇宙が臨界サイズよりも大きい場合、子宇宙の内部または外部の観察者のそれぞれ子宇宙は全く別のものと見られるが。 具体的に言えば、息子宇宙の内部観察者は、その子の宇宙は膨張を続けている私たちの宇宙のような宇宙に見えるが、一方で、外部の観測者から子宇宙はブラックホールのように見えるのである。

ブラックホールの中心には巨大な星の破片が重力崩壊を起こして1点で収縮して、私たちの世界の物理法則が成立しない」特異点」が存在する。これはブラックホールの本体とすることができますが、その周囲には（特異点でシュワルツシルト半径だけ離れた球形）ここを超えると、光さえ脱出できなくなるという事件地平線（事象の地平線）」が存在し、そこに私たちの世界と反対側を分離境界線となっている。

この事件地平線外部（私たちの世界）と内部（息子宇宙の世界）は、他の外観をするという現象を先に予測したのが2020年のノーベル物理学賞を受賞した3人の私たちの一人、ロジャー・ペンローズ博士である。 国際共同研究チームが、今回提唱した理論がペンローズ博士の概念を使用しており、子宇宙は私たちのために生のブラックホールとして認識されているという。

また、今回の説は、チームのメンバーの一人である高田主任研究員と2014年当時の大学院生として観測に参加した新倉寛子さんの研究チームが行って2019年4月にKavli IPMUで発表されたしたすばる望遠鏡のHSCを用いた原始ブラックホール探索の観測データに基づいてされている（観測自体は2014年11月23日に開かれた）。

このときの観測はアンドロメダ銀河を観測して、もし地球とアンドロメダ銀河の星の間を生ブラックホールが渡った場合、重力レンズ現象が起こり、その星は増光する方法が使用された。 その明るさの変化する時間の長さでブラックホールの質量を推定することが可能である。 もし月程度の質量の原始ブラックホールの重力レンズ現象を起こす場合、約30分の増光が発生する。

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  （上）アンドロメダ銀河。 （下）重量レンズ現象のイメージ。 アンドロメダ銀河の約1億個の星と地球の間を生ブルレクホルガ交差するその星は、重力レンズ効果によって明るく観測される。 原始ブラックホールの質量は月程度と比較的小型であり、増光が続いて30分ほどという。（c）Kavli IPMU（出典：Kavli IPMU Webサイト）

HSCは膨大な観測能力がアンドロメダ銀河の中で、約1億個の星の明るさを同時に監視することが可能である。 そのうちの一つの恒星の前を生ブラックホールが横断増光すると、その姿を把握することができるからである。 このとき、ポリグラフ宇宙の予言と一致していない月の質量程度の原始ブラックホールの可能性が重力レンズ候補天体が1例報告されたことが分かった。

この2014年の最初の観測と、今回の理論的研究をきっかけに、今回の国際共同研究チームは、HSCを使用して多元宇宙を祈願する原始ブラックホール探査の追加観測を現在本格的に開始した。 今後の観測結果から、生ブラックホールの形成の謎を解く手がかりを得ることができると期待されるしているとした。