ダークマター: 原始ブラックホールは長年の謎をどのように説明できるのか

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約 50 年間、科学界は、宇宙には目に見える物質が不足しているという大きな問題に取り組んできました。

私たちが目にできるすべての物質（星、惑星、宇宙塵、そしてその間にあるものすべて）では、なぜ宇宙がそのように振る舞うのかを説明することはできません。研究者が観察するには、私たちの周囲にその5倍の物質が存在する必要があります。意味をなす。 NASAによると。 光と相互作用せず、目に見えないため、科学者はこの物質を暗黒物質と呼んでいます。

1970年代、アメリカの天文学者ベラ・ルービンと… ケント・フォードは、渦巻銀河の端を周回する星を観察することで暗黒物質の存在を発見しました。 彼らは、これらの星は銀河の目に見える物質と重力によって保持するには速すぎるので、代わりに吹き飛ばされるべきだったと指摘しました。 唯一の説明は、銀河を結びつけている大量の目に見えない物質が存在するということだった。

「渦巻銀河で見えるもの」 ロビンは言いました 当時は、「それは得られるものではありません。」 彼女の研究は、1930 年代にスイスの天文学者フリッツ ツヴィッキーによって定式化された仮説に基づいて行われ、とらえどころのない物質の探索を開始しました。

それ以来、科学者たちは暗黒物質を直接観察し、さらには暗黒物質を構築しようと試みてきました。 素晴らしい家電製品 それを発見することですが、これまでのところ、私たちは幸運に恵まれていません。

研究の初期に、有名な英国の物理学者スティーブン・ホーキング博士は、ビッグバン中に形成されたブラックホール（彼の研究の主題）の中に暗黒物質が隠れている可能性があると仮説を立てました。

現在、MITの研究者らによる新しい研究により、この理論が再び注目を集め、これらの原始ブラックホールが何でできているかが明らかになり、その過程で全く新しいタイプのエキゾチックブラックホールが発見される可能性がある。

研究著者の一人であるデイビッド・カイザー氏は、「その意味では本当に嬉しい驚きだった」と語った。

「私たちはブラックホールに関するスティーブン・ホーキング博士の有名な計算、特にブラックホールが放出する放射線に関する彼の重要な結果を利用していました」とカイザー氏は語った。 「これらの奇妙なブラックホールは、暗黒物質の問題に対処しようとする試みから生じます。それらは暗黒物質の説明の副産物です。」

科学者たちは、未知の粒子から異次元に至るまで、暗黒物質とは何かについて多くの推測を行ってきました。 しかし、ブラックホールに関するホーキング博士の理論が有効になったのはつい最近のことです。

「おそらく10年前まで、人々はこのことを真剣に受け止めていませんでした」と研究共著者でMITの大学院生エルバ・アロンソ・モンサルベ氏は言う。 「これは、ブラックホールがかつては非常に突飛なものに思えたからです。1900年代初頭、人々はブラックホールが単なる物理的事実ではなく、単なる楽しい数学的事実であると考えていました。」

アインシュタインの研究者が発見した、ほぼすべての銀河の中心にブラックホールがあることがわかっています。 重力波 2015 年のブラックホールの衝突によって誕生した画期的な発見は、ブラックホールがどこにでも存在することを示しました。

「実際、宇宙にはブラックホールが満ちている」とアロンソ・モンサルベ氏は語った。 「しかし、人々が発見すると予想したすべての場所を調べたにもかかわらず、暗黒物質の粒子は発見されませんでした。これは、暗黒物質が粒子ではないという意味ではなく、あるいはそれが間違いなくブラックホールの組み合わせである可能性もあります。」しかし現在、「ブラックホールは暗黒物質の候補として真剣に受け止められている」。

最後 現代研究 ホーキング博士の仮説は真実であることが確認されていますが、アロンソ・モンサルヴィとマサチューセッツ工科大学ゲルムスハウゼン研究所の物理学教授および科学史教授であるカイザーの研究はさらに一歩進んで、原始ブラックホールが最初に誕生したときに何が起こったのかを正確に調査しています。形成されました。 。

の スタディ6月6日にフィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載された論文は、これらのブラックホールがビッグバンの最初の500万分の1秒の間に出現したに違いないことを明らかにしている。アロンソ・モンサルベは、「すべてを構成する分子が形成されたのです。」

彼女は、私たちの日常世界では、素粒子である崩壊した陽子や中性子を見つけることはできないと付け加えた。 しかし、それはそうではないことがわかっています。なぜなら、それはクォークと呼ばれる小さな粒子で構成されており、グルーオンと呼ばれる他の粒子によって結合されているからです。

「今の宇宙では、寒すぎるため、クォークやグルーオンを単独で自由に見つけることはできません」とアロンソ・モンサルヴィ氏は付け加えた。 「しかし、ビッグバンの初期、非常に高温だったとき、それらは単独で自由に発見された可能性があり、原始ブラックホールは自由クォークとグルーオンの吸収によって形成されました。

このような構成は、科学者が宇宙で通常観察している、星の崩壊の結果である天体物理学的ブラックホールとは根本的に異なるものになるでしょう。 原始ブラックホールもはるかに小さく、平均して小惑星の質量だけが原子1個の大きさに凝縮されるだけだろう。 しかし、これらの原始ブラックホールの十分な量がビッグバンの開始時に蒸発せず、今日まで生き残っていれば、それらが暗黒物質のすべてまたはほとんどの原因である可能性があります。

研究によると、原始ブラックホールが形成される過程で、別の種類の目に見えないブラックホールが一種の副産物として形成されたに違いないという。 これはもっと小さくて、ブロック A だけだっただろう ユニコーン、陽子 1 個未満のサイズに凝縮されます。

これらの小さなブラックホールは、そのサイズが小さいため、「カラーチャージ」と呼ばれる、それらが形成されるクォーク・グルーオンスープの稀で奇妙な特性を捕捉することができた。 これはクォークとグルーオンに限定された電荷状態であり、通常の物体では決して見られない、とカイザー氏は述べた。

この色の電荷により、通常はいかなる種類の電荷も持たないブラック ホールの中でユニークなものになります。 「（原始ブラックホール形成の）副産物として、これらのより小さなブラックホールも形成されたことは避けられないが、それらはすでに蒸発してしまっているため、現在は存在していないでしょう」とアロンソ・モンサルベ氏は述べた。

しかし、陽子と中性子が形成されるビッグバンからまだ1000万分の1秒程度離れていたとしたら、2種類の粒子間のバランスが変化して観察可能な指紋が残った可能性がある。

「陽子の数と生成される中性子の数のバランスは非常に微妙で、当時の宇宙に他にどんな物質が存在していたかによって決まります」と彼女は付け加えました。 (どちらか一方については) 陽子と中性子のバランスが変わる可能性があり、今後数年間でそれを測定するには十分な量です。」

カイザー氏によると、この測定は地上の望遠鏡や周回衛星に搭載された高感度の機器から行われる可能性があるという。 同氏は、これらの奇妙なブラックホールの存在を確認する別の方法があるかもしれないと付け加えた。

「ブラックホールの集団の形成は、周囲の時空に巨大な波紋をもたらす極めて暴力的なプロセスであり、その速度は宇宙の歴史の過程で減少するが、ゼロにはならないだろう」とカイザー氏は語った。 「小質量ブラック ホールを垣間見ることができます。これは、より日常的なブラック ホールの予期せぬ副産物であり、今日の暗黒物質を説明できる可能性のあるエキゾチックな物質状態です。」

これは、暗黒物質を検出しようとする進行中の実験にとって何を意味するのでしょうか。 着陸帯暗黒物質実験 サウスダコタでは？

「奇妙な新粒子という考えは、依然として興味深い仮説です」とカイザー氏は語った。 他にも重力波を検出する革新的な方法を模索する大規模な実験が行われており、その中には建設中のものもある。 これらは実際に、原始ブラックホールの非常に激しい形成過程からのいくつかの迷走信号を拾っている可能性があります。

アロンソ・モンサルヴィ氏は、原始ブラックホールは暗黒物質のほんの一部である可能性もあると付け加えた。 「実際に同じである必要はありません」と彼女は言いました。 「暗黒物質は通常の物質の 5 倍ありますが、通常の物質はさまざまな粒子で構成されています。では、なぜ暗黒物質は 1 種類の物体でなければならないのでしょうか?」

マイアミ大学物理学科の助教授ニコ・カペロッティ氏によると、重力波の発見により原始ブラックホールの人気が再び高まったが、その形成についてはほとんどわかっていないという。 彼は研究には参加しなかった。

「この研究は、とらえどころのない暗黒物質を説明するための興味深い、実行可能な選択肢です」とカペロッティ氏は語った。

この研究は刺激的であり、第一世代のブラックホール形成の新たなメカニズムを示唆しているとエール大学のジョセフ・S・フルトン教授とソフィア・S・フルトン教授の天文学・物理学教授であるプリヤンバダ・ナタラジャン氏は述べた。 彼女も研究には参加しなかった。

「今日の宇宙にあるすべての水素とヘリウムは最初の3分間に生成されており、もし当時からこれらの原始ブラックホールが十分に存在していれば、それらはその過程に影響を及ぼし、その影響は検出可能だったかもしれない」とナタラジャン氏は述べた。 。

「これが観察的に検証可能な仮説であるという事実は、自然が複数の経路を介して最古の時代からブラックホールを作った可能性が高いことを示唆しているという事実とは別に、私が本当に興味深いと思うことです。」