ビッグバンはしばしば宇宙の爆発的な誕生として描かれる。空間、時間、物質が存在へと飛び出した特異な瞬間である。しかし、これが始まりではなかったとしたらどうだろうか？我々の宇宙が何か他のもの、より身近でありながら同時に根本的なものから生まれたとしたらどうだろうか？
Physical Review Dに掲載された新しい論文（完全なプレプリントはこちら）で、私の同僚と私は驚くべき代替案を提案している。我々の計算は、ビッグバンがすべての始まりではなく、むしろ非常に巨大なブラックホールを形成した重力収縮または崩壊の結果であり、その内部でのバウンスが続いたことを示唆している。
我々がブラックホール宇宙と呼ぶこのアイデアは、宇宙の起源について根本的に異なる見方を提供するが、それは完全に既知の物理学と観測に基づいている。
今日の標準宇宙論モデルは、ビッグバンと宇宙インフレーション（初期宇宙が急速にサイズを膨張させたという考え）に基づいており、宇宙の構造と進化を説明する上で著しく成功している。しかし、それには代償が伴う。最も基本的な疑問のいくつかが未解決のまま残されているのである。
一つには、ビッグバンモデルは特異点から始まる。これは物理法則が破綻する無限密度の点である。これは単なる技術的な不具合ではない。我々が始まりを本当に理解していないことを示唆する深い理論的問題である。
宇宙の大規模構造を説明するために、物理学者たちは宇宙インフレーションと呼ばれる、奇妙な性質を持つ未知の場によって駆動される急速膨張の短い段階を初期宇宙に導入した。その後、今日観測される加速膨張を説明するために、彼らは別の「神秘的な」成分であるダークエネルギーを追加した。
要するに、標準宇宙論モデルはうまく機能するが、それは我々が直接観測したことのない新しい成分を導入することによってのみである。一方、最も基本的な疑問は未解決のままである。すべてはどこから来たのか？なぜこのように始まったのか？そして、なぜ宇宙はこれほど平坦で、滑らかで、大きいのか？
新しいモデル
我々の新しいモデルは、これらの疑問を異なる角度から取り組む。外側を見る代わりに内側を見るのである。膨張する宇宙から始めて、それがどのように始まったかを遡ろうとする代わりに、我々は過度に密度の高い物質の集合が重力の下で崩壊するときに何が起こるかを考える。
これは身近なプロセスである。恒星はブラックホールに崩壊し、ブラックホールは物理学で最もよく理解されている天体の一つである。しかし、何も脱出できない事象の地平線の向こう側、ブラックホールの内部で何が起こるかは謎のままだ。
1965年、英国の物理学者Roger Penroseは、非常に一般的な条件下で、重力崩壊は特異点に至らなければならないことを証明した。この結果は、故英国物理学者Stephen Hawkingらによって拡張され、ビッグバンのような特異点は避けられないという考えを支えている。
このアイデアはPenroseが2020年のノーベル物理学賞を共同受賞する助けとなり、Hawkingの世界的ベストセラー『ホーキング、宇宙を語る：ビッグバンからブラックホールまで』にインスピレーションを与えた。しかし、注意点がある。これらの「特異点定理」は、通常の巨視的物体を記述する「古典物理学」に依存している。極端な密度では必須である、原子や粒子の微小な世界を支配する量子力学の効果を含めると、話は変わるかもしれない。
我々の新しい論文では、重力崩壊が特異点で終わる必要がないことを示している。我々は厳密な解析解、つまり近似のない数学的結果を見つけた。我々の数学は、潜在的特異点に近づくにつれて、宇宙のサイズが宇宙時間の（双曲）関数として変化することを示している。
この単純な数学的解は、崩壊する物質の雲がどのように高密度状態に達し、その後バウンスして、新しい膨張段階へと外向きに跳ね返ることができるかを記述している。
しかし、Penroseの定理がそのような結果を禁止しているのに、なぜこのようなことが起こるのだろうか？それはすべてパウリの排他原理と呼ばれる規則によるものである。この原理は、フェルミオンとして知られる同一の粒子が同じ量子状態（角運動量や「スピン」など）を占めることはできないと述べている。
そして我々は、この規則が崩壊する物質中の粒子が無限に圧縮されることを防ぐことを示している。その結果、崩壊は停止し、逆転する。バウンスは可能であるだけでなく、適切な条件下では不可避である。
重要なことに、このバウンスは、恒星や銀河などの大きなスケールに適用される一般相対性理論と量子力学の基本原理の枠組み内で完全に起こる。仮想的な場、余剰次元、投機的物理学は必要ない。
バウンスの向こう側に現れるのは、我々自身の宇宙と著しく似た宇宙である。さらに驚くべきことに、反発は自然に加速膨張の2つの別々の段階、インフレーションとダークエネルギーを生み出す。これは仮想的な場によってではなく、バウンス自体の物理学によって駆動される。
検証可能な予測
このモデルの強みの一つは、検証可能な予測を行うことである。それは少量だが非ゼロの正の空間曲率を予測する。つまり、宇宙は完全に平坦ではなく、地球表面のようにわずかに湾曲しているということである。
これは単に、崩壊を引き起こした初期の小さな過密度の遺物である。進行中のEuclidミッションなどの将来の観測が小さな正の曲率を確認すれば、我々の宇宙が実際にそのようなバウンスから生まれたという強い示唆となるだろう。また、現在の宇宙の膨張率についても予測を行っており、これはすでに検証されている。
このモデルは標準宇宙論の技術的問題を修正する以上のことを行う。それはまた、超大質量ブラックホールの起源、ダークマターの性質、銀河の階層的形成と進化など、初期宇宙の理解における他の深い謎に新たな光を当てる可能性がある。
これらの疑問は、Arrakihsなどの将来の宇宙ミッションによって探求されるだろう。このミッションは、恒星ハロー（銀河を取り囲む恒星と球状星団の球状構造）や衛星銀河（より大きな銀河の周りを回る小さな銀河）などの拡散した特徴を研究し、地球からの従来の望遠鏡では検出が困難であり、ダークマターと銀河進化の理解に役立つだろう。
これらの現象は、崩壊段階で形成され、バウンスを生き延びたブラックホールなどの遺物コンパクト天体とも関連している可能性がある。
ブラックホール宇宙はまた、宇宙における我々の位置について新しい視点を提供する。この枠組みでは、我々の観測可能な宇宙全体が、より大きな「親」宇宙で形成されたブラックホールの内部に位置している。
我々は特別ではない。地球が太陽の周りを回っていることを16世紀と17世紀に示唆した天文学者Galileoを軟禁に追い込んだ地球中心的世界観における地球以上に特別ではないのである。
我々は無から全てが誕生するのを目撃しているのではなく、むしろ宇宙サイクルの継続を見ているのである。それは重力、量子力学、そしてそれらの間の深いつながりによって形作られたサイクルである。