新たな研究によると、ビッグバン以前から存在する遺物ブラックホールが、今日の銀河の形成に影響を与え続けている可能性がある。こうしたブラックホールは、宇宙論における最大の未解決問題のひとつであるダークマターを説明できるかもしれない。
一般に、ブラックホールとは物質が極めて小さな空間に圧縮された時空領域である。一方、ダークマターとは光を反射も吸収もしない物質であり、銀河やその他の宇宙構造に対する重力的影響によってその存在が知られている。
ダークマターは銀河を一体に保つ「接着剤」と見なすことができるが、根本的なレベルでそれが何から構成されているかはまだわかっていない。多くの物理学者は、ダークマターがまだ発見されていない素粒子から成ると考えている。
しかし、ビッグバン以前から存在する太古のブラックホールも条件を満たしている。それらは暗く、かつ質量を持つ——まさに要求される性質そのものだ。
筆者はこのアイデアを新たな論文で考察した。もちろん、遺物ブラックホールという概念は、ビッグバン自体の再考も必要とする。
約1世紀にわたり、宇宙論者たちは宇宙の歴史をこの劇的な単一の瞬間まで遡ってきた。しかし、それが時間の絶対的な始まりではなかったかもしれない。ビッグバンの以前に宇宙が存在していた可能性がある。
このシナリオでは、宇宙は膨張に転じる前に収縮した。ビッグバンは、その2つの段階の転換点を示すということになる。
ビッグバンモデルはきわめて成功を収めてきた。宇宙マイクロ波背景放射——初期宇宙の余光——を説明し、銀河の大規模構造を驚異的な精度で予測する。
しかし、Einsteinの一般相対性理論においては、それは特異点でもある——密度が無限大となり、既知の物理法則が崩壊する点だ。多くの物理学者はこれを物理的現実としてではなく、何かが欠けているサインとして解釈している。特異点は物理的な対象というよりも数学的な警告に近く、現在の理論が宇宙最初期の瞬間を記述できないことを示している。
バン（爆発）ではなくバウンス（反発）
ひとつの代替案としてバウンス宇宙論がある。この描像では、宇宙はビッグバン以前に収縮段階を経て、極めて高い——しかし有限の——密度に達し、特異点に崩壊する代わりに反発して新たな膨張段階を開始する。
バウンスモデルは数十年にわたって探求されてきたが、多くの場合、重力の修正や特殊な新要素を必要とした。しかし、重力と量子力学の効果——自然を最微小スケールで支配する法則——を一貫して考慮すると、バウンスが標準的な物理学の枠内で通常の解として現れることを我々の研究は示している。
標準宇宙論では、ビッグバンに続いてすぐに初期宇宙が急激かつ指数関数的に膨張する期間がある。インフレーション（インフレーション宇宙論）と呼ばれるこの段階において、それ以前の構造の痕跡はすべて消去される。
しかし、バウンス宇宙ではその状況が異なる。我々の研究では、90メートルより大きなものは収縮から膨張への転換を生き延びた可能性があることがわかった。これにより、以前の宇宙の時代から情報を持ち越した「遺物」が残される。その遺物にはブラックホール、重力波、密度ゆらぎが含まれ得る。
量子物理学には、これがいかにして可能かを示す強力な手がかりがある。量子論の礎であるパウリの排他原理によれば、物質は極めて高い密度において「縮退」する。この物質は熱がなくても、それ以上の圧縮に抵抗する圧力を生み出す。
我々のモデルでは、宇宙論的スケールにおいて同様の効果が働く。それは、宇宙が完全に崩壊しない理由、およびバウンスの前後に形成された構造が膨張段階に持ち越せる理由を説明し得る。
「終末」を生き延びる
遺物ブラックホールが生まれる主な経路として、2つが考えられる。
1つ目は直接的な生存だ。宇宙の収縮段階で生成された密集した天体や摂動（密度または重力のゆらぎ）が、バウンスを経て存続し得る。
2つ目の経路はさらに興味深い。収縮期において、物質は重力によって自然に凝集し、現在の銀河を宿すハローに似た構造を形成する。バウンス後、それらは効率よくブラックホールへと崩壊できる。
収縮段階の銀河や恒星は、詳細な構造のほとんどを消去しながらも質量を保ちつつ、事実上ブラックホールへと崩壊する。
これらのブラックホールがダークマターなのだろうか？数十年にわたり、有力候補は素粒子であったが、広範な探索にもかかわらず検出には至っていない。
遺物ブラックホールは説得力ある代替案を提供する。バウンスが十分な数を生み出せば、ダークマターの相当な——おそらく支配的な——部分を占める可能性がある。
このアイデアは、近年の最も興味深い観測上の謎のひとつとも関連し得る。
James Webb Space Telescope（JWST）は、初期宇宙において密集した極めて赤い天体の集団を発見した。これはしばしば「リトル・レッド・ドット（Little red dots）」と呼ばれる。これらの天文学的な源は、ビッグバンからわずか数億年後という時期に、予想外に質量が大きく明るいように見える。
多くの天文学者は、これらが急速に成長するブラックホールと関連していると推測している——おそらくは、今日の銀河中心に見られる超大質量ブラックホールの種となったものかもしれない。しかしその存在は、標準宇宙論の枠内では説明が難しい。これほど巨大な天体がいかに短期間で形成できたのか？
遺物ブラックホールは自然な説明を与えてくれる。もしバウンス直後に巨大な種が既に存在していたなら、初期宇宙はゼロから始める必要はない。超大質量ブラックホールは、新たに形成された天体ではなく太古の生き残りから成長できたことになる。
この意味で、JWSTはすでにバウンス前の遺物の子孫を垣間見ているのかもしれない。
新たな宇宙論的枠組み
総合すると、バウンスシナリオは宇宙論における複数の長年の問題に統一的なアプローチを提供する。
- ビッグバンの特異点は量子的転換に置き換えられる。この転換は「Einstein–Rosen橋（アインシュタイン＝ローゼン橋）」の概念——時空の2つの離れた領域を結ぶ数学的なリンク——と関連している可能性がある。
- インフレーションはバウンス近傍のダイナミクスから自然に生まれる。
- ダークエネルギーは有限宇宙の全体的な構造に関連付けられ得る。
- ダークマターは遺物ブラックホールで構成されているかもしれない——おそらく我々の宇宙自体もブラックホールとして始まったのかもしれない。
- 重力波は以前の宇宙段階からのシグナルを運んでいる可能性がある。
- 超大質量ブラックホールは、最近のJWSTの観測と整合する太古の起源を持つかもしれない。
まだ多くの研究が必要だ。これらのアイデアはデータ——重力波背景から銀河サーベイ、宇宙マイクロ波背景放射の精密測定まで——によって検証されなければならない。
しかし、その可能性は深遠だ。宇宙は一度始まったのではなく、反発して再生したのかもしれない。そして今日の銀河を形成する暗黒構造は、ビッグバン以前の時代からの遺物である可能性がある。
本記事は、ポーツマス大学宇宙論・重力研究所 天体物理学教授 Enrique Gaztanaga 氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Could dark matter be made of black holes from a different universe?」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。