ブラックホールは地球を通過したかもしれないが、私たちはまだそれを見ていないだけだ

ブラックホールは私たちの生活から遠く離れていると思いますか?しかし、一部の物理学者は、暗黒物質の困難な探索により、ブラックホールは地球を通過したが、我々はそれを発見していないと信じるに至った。

通常のブラックホールは恒星が核燃料を使い果たしたときに形成され、このようにして生成されるブラックホールの質量は一般に太陽の質量よりも大きくなります。太陽よりも重いブラックホールが地球を通過すると、地球だけでなく太陽系全体の軌道が乱れることになります。その影響は『三体問題』の「光粒子」に匹敵するだろう。人間がそれに気づかないことは不可能です。もし発見しないのであれば、そのようなブラックホールを発見する前に、人類の文明はそれによって破壊されたとしか考えられません。

ブラックホールの想像力（画像ソース：pixabay）

原始ブラックホール

しかし、『暗黒宇宙の物理学』に最近発表された論文は、別の種類のブラックホール、原始ブラックホールに注目した。このタイプのブラックホールは、ビッグバン時の局所的な密度変動によって生成された小さなブラックホールです。このようなブラックホールの質量は小惑星と同程度で、体積は原子ほどの大きさしかありません。このようなブラックホールは観測できませんが、外部に重力の影響を与え、暗黒物質の候補となる成分でもあります。

この論文では、もし宇宙に原始的なブラックホールが本当に存在するなら、宇宙にいくつかの中空の小惑星が誕生するか、地球の太古の岩石にまっすぐで細いトンネルを残す可能性があるとしている。これらの現象を利用して原始ブラックホールを探すことができます。

原始ブラックホールの模式図（画像提供：NASA）

原子サイズの原始ブラックホールは小惑星に捕獲される可能性がある。小惑星の核が溶岩で構成されている場合、次のような状況が発生する可能性があります。小惑星の中心にある溶岩は核にある原始的なブラックホールに飲み込まれ、外側の岩石の殻は固体であり、重力による内側への崩壊の傾向に抵抗して、自身の力で崩壊します。最終的に、小惑星は中空の小惑星になります。論文では、花崗岩や鉄など宇宙で一般的な物質については、その大きさが地球の半径の1/10を超えない限り、その物質の強度が重力による伸びに抵抗できると計算している。したがって、宇宙で密度が非常に低く、大きさが地球の半径の 1/10 を超えない小惑星が見つかった場合、それは原始ブラックホールによって生じた中空の小惑星である可能性があります。

これまでのところ、物事は従来の天文学の範囲内にあるようだが、この論文は宇宙における原始的なブラックホールの探索に満足していない。彼らは地球上で原始ブラックホールの痕跡を探すことさえ望んでいる。

原始ブラックホールは宇宙を高速で移動する可能性がある。質量が 10 の 2 乗グラムの原始ブラックホールが地球を通過した場合、剛体物体に直径約 0.1 ミクロンのトンネルが残る可能性があります。恐れることはありません。そのような原始的なブラックホールが人体を通過する可能性は非常に低いのです。たとえ人体を通過したとしても、相対速度が速いため、受けるダメージは非常に小さい。このようなトンネルは細すぎるため、私たちの体に何の影響も与えません。

しかし、そのような細いトンネルが本当に観測されるということは、原始ブラックホールが本当に存在する可能性があることを意味します。研究者らは、平均して10億年ごとに10平方メートルの断面積に0.000001個のこのようなトンネルが残ると計算した。研究者らは、そのような確率は暗黒物質の探索には許容できると述べている。おそらく、大きな金属板をいくつか置き、顕微鏡を使ってその上に直径約 1 ミクロンのトンネルを探すことができるでしょう。このようにして、暗黒物質、つまり原始ブラックホールの可能性を探ることができます。

クレイジーなアイデア、無力な現実

あなたは、ブラックホールが地球を通過したと信じているのか、それともそのような低い確率でも受け入れられると考えているのかのどちらかです。物理学者がこのような突飛な考えを思いつくのは、人間の本質の歪みか、道徳心の低下によるものでしょうか?実際、それはすべて暗黒物質によって引き起こされています。

天文学者の目には、暗黒物質は「近隣の」銀河の回転速度を説明するためであろうと、宇宙全体の進化を説明するためであろうと、長い間欠かせない要素となってきました。この物質は電磁波を通して観測することはできませんが、その重力の影響はほぼどこでも観測できます。では、重力を持つこの目に見えない物質とは一体何なのでしょうか?これは物理学者にとって最も懸念される問題の一つです。

近年まで、物理学者は弱い相互作用をする巨大粒子 (WIMP) のみに研究の焦点を当ててきました。これは、基本的に現在の素粒子物理学の標準モデルと互換性があり、宇宙における暗黒物質の割合を自然に説明できる仮説上の粒子のクラスです。物理学者たちは、暗黒物質の探索に液体キセノンを使用する我が国のPandaX実験やイタリアのXENON実験など、WIMPの可能性のあるものを探すための多数の実験を設計してきました。暗黒物質が液体キセノンを通過すると、液体キセノンの閃光を引き起こす可能性があります。科学者は、液体キセノンの閃光の数と頻度に基づいて、暗黒物質とキセノン原子の相互作用の可能性を推測することができます。これは物理学では衝突断面積と呼ばれ、暗黒物質粒子のいくつかの基本的な特性を反映しています。

しかし、重要な問題は、暗黒物質検出実験の精度がどんどん高まっているにもかかわらず、まだ WIMP が見つからないことです。 WIMP 衝突断面積に関する現在の実験的制約が厳密すぎるため、いくつかの古典的な WIMP 候補は除外されています。

今年11月、我が国のPandaX実験とイタリアのXENON実験はそれぞれPhysical Review Letters誌に論文を発表し、両実験が太陽ニュートリノ背景を検出した可能性があると発表しました。太陽から放出されるニュートリノにも衝突断面積があり、実験の精度に影響を及ぼします。実験の信頼度は高くありませんが、PandaX 実験は 2.64σ、XENON 実験は 2.73σ であり、どちらも 5σ の基準を満たしていませんが、これは研究者の予測と一致しており、研究者はそれに自信を持っています。

PandaX と XENON の実験は太陽ニュートリノ背景を観測した可能性がある (画像提供: APS/Alan Stonebraker)

しかし重要な点は、科学者が暗黒物質を発見する前に太陽ニュートリノ背景を観測し、暗黒物質の信号が太陽ニュートリノよりも弱いことを示していることだ。暗黒物質探索の観測精度をさらに向上させると、太陽ニュートリノの信号が大きな妨害となり、暗黒物質探索の難易度がさらに高まります。

したがって、物理学者はWIMP以外の暗黒物質の可能性を考慮する必要があります。最近では、アクシオン、原始ブラックホール、さらには暗黒物質を放棄した修正ニュートン力学理論（MOND）など、暗黒物質を探索するためのさまざまな新しいアイデアが登場しています。この記事で言及されている原始ブラックホールも彼らのアイデアの 1 つです。

参考文献

[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1066694

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2212686424002449?via%3Dihub

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191001

[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.191002

[5]https://physics.aps.org/articles/v17/161

[6] 「ダークマターの次の宝の地図」グローバルサイエンス、2024年10月

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

著者: 王宇

編集者：王夢如

校正：徐来林