原始ブラックホールが暗黒物質であると疑われることになると、彼らの言い訳は崩れ去ろうとしているかもしれない。 宇宙誕生から数秒後に形成された小さなブラックホールは予想よりも長く存続する可能性があり、原始ブラックホールが宇宙で最も謎に満ちた物質である暗黒物質の原因である可能性があるという新たな疑惑が浮上している。
暗黒物質は現在、物理学において最も差し迫った問題の 1 つです。 これは、暗黒物質が宇宙の物質の推定 85% を占めているにもかかわらず、光と相互作用しないため、私たちの目には見えないままであるためです。
星、惑星、私たち自身の体など、私たちが見ることができる「普通の」物体を構成する原子を構成する粒子は明らかに光と相互作用するため、粒子の標準モデルの外側にある暗黒物質粒子の探索が促されました。物理。 多くの科学者は、その答えはまだ標準模型にあると信じていますが、宇宙天体のさらに小さな親戚に注目すると、通常、それらは非常に巨大で、巨大なブラックホールであることがわかります。
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マックス・プランク研究所の科学者 バレンティン・トス そして アンナ・フェルナンデス・アレクサンダー リスボン大学から 2 人の研究者が最近そのような研究に参加しました。 彼らは、ビッグバン直後の138億年以上前に発生し、陽子以下の小さなブラックホールが新たな物理学を必要とせずに合体して暗黒物質の容疑者となった可能性があると仮説を立てている。
ブラックホールがどのように「蒸発」したかに関する最近の考え方の変化は、暗黒物質が疑われているため、原始ブラックホールの生存可能性の再評価につながっただけでなく、暗黒物質粒子の探索がほぼ白紙のままであるため、暗黒物質粒子の探索が始まる可能性があります。原始ブラックホール暗黒物質理論をより真剣に研究する研究者が増えています。
原始ブラックホールとは何ですか?
「その名前が示すように、原始ブラックホールは宇宙の始まりに形成されたブラックホールの一種です」とトス氏はSpace.comに語った。 「実際には、宇宙の1秒の最初の何分の1以内に。」
彼は、銀河の超銀河団から銀河内部の銀河に至るまで、宇宙で観察されるすべての構造は、宇宙の始まりに存在した宇宙のわずかな過剰密度によって形成されていると説明しました。 初期の宇宙がこれらの特徴を生み出した密度変動よりもはるかに強い密度変動を経験し、これらの変動が実際に銀河が形成されるよりも早く崩壊した場合、それらの非常に高密度のスポットが原始ブラックホールを刺激した可能性があります。
この崩壊がいつ起こったか、そして崩壊の大きさに応じて、これらの原始ブラックホールの質量は大きく異なるだろうとトス氏は付け加えた。 トス氏とフェルナンデス＝アレクサンダー氏が暗黒物質の可能性のある候補として考えている原始ブラックホールの質量は、正確に言えば数トンから1000トンの間であり、惑星の質量よりも小さく、小型惑星の範疇に入る。小惑星。
科学者たちがこれまでに発見した、恒星質量ブラックホールとして知られる最小のブラックホールは、太陽の質量の 3 ～ 50 倍に相当する質量を持っていることを考えると、これ自体は 2.2 の 10 の 27 乗 (22 の後に 26 が続く) です。 ）。 (ゼロ) トン – これらの原始ブラック ホールは信じられないほど小さいです。
フェルナンデス＝アレクサンダーによれば、大質量星の崩壊や比較的小さなブラックホールの合体によって形成された、より大きなブラックホールと同様に、原始ブラックホールには事象の地平線と呼ばれる光を閉じ込める外側の境界があるだろうという。 この地平線の直径はブラック ホールの質量によって決まります。つまり、そのような場合、事象の地平線は信じられないほど小さくなります。 「陽子の半径より小さい」とフェルナンデス＝アレクサンダー氏は言う。
すべてのブラックホールは、1974年にスティーブン・ホーキング博士によって最初に仮説され、後に「ホーキング放射」と呼ばれる熱放射の一種を「漏らす」と考えられているため、小さな原始ブラックホールはこれまで暗黒物質の候補として除外されていた。
ブラックホールが小さいほど、ホーキング放射はより速く逃げることができるため、より速く蒸発する必要があります。 これは、もし原始ブラックホールが存在していたとしても、最も小さな例は今日存在しないはずだが、暗黒物質は明らかに存在することを意味する。
「アンナと私が現在研究している質量を含む原始ブラックホールは、宇宙のこの時点までに完全に蒸発していると考えられていたため、以前はありそうもないことだと考えられていました」とトス氏は語った。
しかし、トースおよびフェルナンデス＝アレクサンダーと共同研究したミュンヘン大学の理論物理学者ジェルジ・ドヴァリによる最近の研究は、蒸発プロセスがある時点で破綻することを示唆している。 これは、科学者が考えている質量を持つ原始ブラックホールが準定常状態に達する可能性があることを意味する。
「ホーキング放射を放出して質量を減らすために、ブラックホールはその情報か何かを書き換えなければなりません。そして、この書き換えプロセスには時間がかかります」とフェルナンデス・アレクサンダー氏は説明した。 「これは『記憶負荷』と呼ばれます。その記憶が別のものに移動しなければならず、これによって蒸発プロセス全体が遅くなるからです。つまり、これは一種の安定化なのです。」
この「救済メカニズム」は、原始ブラックホールが暗黒物質の潜在的候補として戻ってきたことを意味します。
暗黒物質の死因？
しかし、原始ブラックホールが今日の宇宙に存在するという事実は、直ちにそれらが暗黒物質の容疑者とみなされるべきであることを意味するものではありません。 実際、これらの小さな仮説のブラックホールを宇宙の謎の物質内容と結び付ける理由は他にもあります。
おそらく最も明白な関係は、暗黒物質が光と相互作用しないことです。 暗黒物質は光を放出したり反射したりすることはなく、すべてのブラック ホールの境界となる事象の地平線は、通過するために必要な脱出速度が光速を超える点を示しています。 これは、原始ブラックホールがすべての入射光を「閉じ込め」、その結果、相互作用が明らかに欠如することを意味します。
「それらが十分に軽い場合、原始ブラックホールは惑星質量の周囲のどこかで、私たちが関心を持っているあらゆる目的において暗黒物質粒子のように振る舞うでしょう」とトス氏は述べた。 「標準モデルではダークマターは『衝突しない』ため、ダークマター粒子は宇宙に影響を与えるほど相互に影響し合うことはありません。」
同氏は、原始ブラックホールが惑星質量よりも軽ければ、宇宙の時間スケールで見ても非常に小さいため、衝突することはほとんどないだろう、と付け加えた。 これらの原始ブラックホールは結合して、現在我々が暗黒物質に起因すると考えている重力効果、例えば、急速に回転する銀河が吹き飛ばされるのを防ぐ重力の影響を生み出す可能性がある。
しかし、暗黒物質の影響を説明するために原始ブラックホールが集合しなければならないとしたら、これらのブラックホールが集まって合体してより大きなブラックホールを形成することを何が妨げるのでしょうか? 小さなブラックホールの束が最終的にはただの超巨大ブラックホールになるのではないだろうか？ これは調査されましたが、答えは単純に「いいえ」です、とトス氏は言いました。
「たとえ凝集を考慮したとしても、合体時間スケールは非常に長いので、宇宙の全生涯にわたって合体して非常に巨大なブラックホールになるだけだろう」と彼は続けた。
トース氏は、暗黒物質の説明として原始ブラックホールを使用する利点は、パズルを説明するために軸のような仮説的な粒子を提案するのとは異なり、原始ブラックホールは素粒子物理学の標準モデルの拡張を必要としないことだと付け加えた。 宇宙についての私たちの最良の説明は、亜原子スケールで行うことです。
しかし、もし原始ブラックホールがこの現象を本当に説明するのであれば、それを暗黒物質として確認することは非常に難しいでしょう。 繰り返しますが、光を閉じ込める性質があるため、事実上目に見えません。 さらに、そのような小さなサイズでは、恒星や超大質量の兄弟と同じような巨大な重力の影響はありません。
それでも、原始ブラック ホールのグループが発見されたとしても、多数の小さなブラック ホールと 1 つの大きなブラック ホールを区別する実際の方法はありません。
この困難にもかかわらず、トスとフェルナンデス-アレクサンダーは、少なくとも理論上は、原始ブラックホールの最後尾にとどまるつもりです。 暗黒物質候補粒子の出現に失敗し続けるなら、おそらく答えは、より多くの物理学者に素粒子物理学と宇宙論の間の比喩的な垣根を検討し始めるよう促すことだろう。
「原始ブラックホールが暗黒物質の候補として除外されたとは言えませんが、しばらく無視されてきました」とフェルナンデス＝アレクサンダー氏は語った。 「現在、粒子状暗黒物質が実際に検出されていないという事実により、この選択肢を検討することがますます適切になってきていると思います。」
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