初期の宇宙は奇妙な場所であった。歴史の初期、最初の一千億分の一秒の間に、全宇宙は驚異的に熱いプラズマに過ぎなかった。そして、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者によると、このクォークとグルーオンのスープは、奇妙な原始ブラックホール (PBH) の形成を伴っていた。この長い間消滅していたPBHが、ダークマターの起源であった可能性がある。
MITのDavid Kaiser氏と大学院生Elba Alonso-Monsalve氏は、そのような初期の超高エネルギーのブラックホールが、現代の宇宙では見られない新しい状態の物質であった可能性が高いと示唆している。「これらの短命でエキゾチックな存在は今日では存在しませんが、微妙な信号に現れる可能性のある方法で宇宙の歴史に影響を与えた可能性があります」とKaiser氏は述べている。「ダークマターの全てがブラックホールによって説明できるという考えの中で、これは新しい観測対象を提供しています」。これは、ダークマターの起源を探る新しい方法を意味する。
ダークマターは神秘的である。まだ誰も直接観測していない。しかし、その影響は通常の「バリオン物質」に対して検出可能である。科学者たちはダークマターの正体について多くの提案をしているが、観測ができるまで、それが何であるかを正確に知ることは難しい。ブラックホールは有力な候補であるが、観測可能なブラックホールの質量は宇宙に存在するダークマターの量を説明するには不十分である。しかし、ブラックホールとダークマターには何らかの関連があるかもしれない。
宇宙の時間を通じたブラックホール
多くの人は、少なくとも二種類のブラックホール、すなわち恒星質量ブラックホールと超大質量ブラックホールの存在を知っている。また、稀ではあるが、中間質量ブラックホールというものも存在する。恒星質量ブラックホールは、大質量の星が超新星として爆発し、その後ブラックホールとして崩壊することで形成される。これらは多くの銀河に存在する。超大質量ブラックホールは、何百万もの太陽質量を集積し、銀河の中心部に存在する。これらは階層的に形成されると考えられている。中間質量ブラックホールも階層的に形成される可能性があり、他の二種類のブラックホールを繋ぐ隠れたリンクであるかもしれない。
ブラックホールは宇宙の歴史を通じて形成されてきた。原始ブラックホールの存在は驚くべきことではないが、それでも捉えどころがない。非常に原始的な状態では、それらは小惑星の質量を持ち、原子サイズの超高密度な物体であっただろう。それらはおそらく非常に短命であり、形成後すぐに消滅するか、拡張する宇宙に散らばったと考えられる。
原始ブラックホールとダークマターの関連性
では、これらの奇妙なPBHが、消滅するほど短命であったにもかかわらず、どのようにしてダークマターの形成に影響を与えたのだろうか。ここでKaiser氏と彼の学生の研究が関わってくる。彼らは、最初のPBHが散らばる際に、時空に何らかの「引っ張り」を加え、ダークマターを説明できる何かを変えたと提案している。同じプロセスで「カラー電荷」と呼ばれる特性を持つさらに小さなブラックホールが生成された可能性がある。そして、これがダークマターとの関連性を持つ。
「カラー電荷」はクォークとグルーオンの特性であり、それらを結びつける役割を果たす。これを「スーパー電荷」と考えることができる。KaiserとAlonso-Monsalve氏は、非常に初期のPBHの一部が、クォークやグルーオンと同じように「スーパー電荷」を持っていたと示唆している。もしそれが真実であれば、最も初期のスーパーカラー電荷を持つPBHは、全く新しい状態の物質であっただろう。それらはおそらく生成後すぐに蒸発してしまったため、現代には存在しないが、その存在は特にダークマターの形成に必要であった。
しかし、その短命の間でも、最も初期のスーパー電荷を持つPBHは、最初の原子核が形成された時期の重要な宇宙学的転換に影響を与えた可能性がある。これらのカラー電荷を持つブラックホールは、核融合のバランスに影響を与えた可能性があり、その影響は将来的な測定によって天文学者が検出できるかもしれない。そのような観測は、今日のダークマターの起源として原始ブラックホールを強く示唆するものとなるだろう。
これらの初期PBHは何でできていたのか？
もしこれらのPBHが存在していたなら、彼らは何でできていたのだろうか？他のブラックホールとは異なり、これらの初期のものを「誕生」させた星や他のブラックホールのようなものの証拠はほとんどない。この点を解明するために、Alonso-Monsalve氏とKaiser氏は調査を行った。彼らは、PBH形成の「時代」がビッグバンの直後に起こったと計算した。「典型的な」微視的ブラックホールは、この短い「瞬間」に形成され、小惑星のような質量を持ち、原子のサイズであっただろう。しかし、彼らはまた、指数関数的に小さなブラックホールの小さな集団が存在したことも発見した。それらはサイの質量を持ち、単一の陽子よりもはるかに小さいサイズであった。
このプロセスはおそらくビッグバンの約1秒後に始まった。この時点で、これらのPBHは、クォーク・グルーオンプラズマから最初の原子核が形成され始めたときに支配していた平衡状態を乱すのに十分な時間を持っていた。スーパー電荷を持つブラックホールはすぐに蒸発したであろう。これはおそらく最初の原子核が形成され始めた時期に起こった。「これらの物体は、興奮する観測的な痕跡を残したかもしれない」とAlonso-Monsalve氏は述べている。「彼らはあれこれのバランスを変えたかもしれず、それがどのように影響したのかを考えることができます」。
プラズマからPBH、そしてダークマターへ
これらの短命のブラックホールの形成の背景は何か？それはクォーク・グルーオンプラズマである。そして、それは「カラー電荷」の分布を持つべきである。Kaiser氏とAlonso-Monsalve氏は、PHを形成するために崩壊する可能性のあるプラズマの領域のサイズを決定した。その結果、形成の瞬間に形成された典型的なブラックホールの大部分にはカラー電荷がほとんどなかったであろう。それは、おそらく多くの異なる電荷を持つ領域を吸収することによって形成されたためである。したがって、それらは「スーパー電荷」を持っていなかったであろう。
しかし、最も小さなブラックホールは高度にカラー電荷を持っていたであろう。それらは、ブラックホールに許される最大量の任意のタイプの電荷を含んでいたであろう。そして、それらの形成によって、ダークマターの形成につながるほんの僅かな変化を引き起
こした可能性がある。
論文
- Physical Review Letters: Primordial Black Holes with QCD Color Charge
参考文献
研究の要旨
われわれは、QCDの色電荷を持つブラックホールが宇宙初期に形成された可能性のある現実的なメカニズムについて述べる。原始ブラックホール（PBH）がQCD閉じ込め遷移のかなり前に形成されていれば、暗黒物質のかなりの部分を占める可能性がある。そのようなPBHは閉じこめられていないクォークやグルーオンを吸収して形成されるため、正味の色電荷を持つ可能性がある。我々は様々なシナリオについて、ハッブル体積あたりのPBHの数を見積もり、現象論的な意味を議論する。
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