ブラックホールは宇宙とともに膨張する—新理論が宇宙初期の謎を解く
理論物理学者のバレリオ・ファラオーニとマッシミリアーノ・リナルディが、ブラックホールは宇宙の膨張に伴って自らも膨張するという新たな考え方を発表した。arXivに掲載される予定のこの論文は、従来の物理学の常識を覆すものだ。これまで物理学者たちは、太陽系やブラックホールといった重力で束縛された天体は、宇宙の膨張の影響を受けないと考えていた。しかしファラオーニとリナルディの研究は、この仮定に異議を唱えている。
早期宇宙で発見された謎の超大質量ブラックホール
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）や他の新しい観測施設が、ここ数年で宇宙初期を観測するようになると、予想外の発見が相次いだ。ビッグバンの数億年後に形成されたと考えられる「幼い」銀河の内部から、超大質量ブラックホールが見つかったのだ。従来の天体物理学の教科書によれば、こうしたブラックホールは存在できないはずだった。
ブラックホールへのガスの落下速度には物理的な上限があり、これをエディントン限界と呼ぶ。この限界によると、観測された当時の宇宙の年齢では、発見されたような巨大さにまで成長することは理論上不可能なのだ。
膨張する宇宙そのものがブラックホールを大きくする
ファラオーニとリナルディが採用したのは、ブラックホールをモデル化する従来の方法を見直すアプローチだった。これまで物理学者たちは、シュヴァルツシルト解を用いてきた。この100年以上前に導き出された解は、計算を簡単にするため、ブラックホールを周囲の無限の空虚な空間に孤立した静止物体として扱っていた。しかし実在する宇宙はそうではない。空虚でもなければ、静止してもいない。
二人の研究者は、この静止条件を実際の膨張する宇宙に近い形に修正しようとしても、物理的に矛盾した「裸の特異点」が生じることを、これまでの研究で示していた。数学的に合致する解が存在しなかったのだ。
こうした問題を解くため、彼らはブラックホールの見かけの地平線—光さえ逃げられなくなる重力の境界線に注目した。その地平線が、宇宙よりも遅く膨張するのか、速く膨張するのか、それとも宇宙と全く同じペースで膨張するのかを問う、という単純だが本質的な問いを立てた。
数学的モデルを組み立てて検証した結果、唯一の物理的に可能な結果は、ブラックホールが最終的に宇宙とともに膨張する状態に到達することだった。すなわち、ブラックホールの地平線は宇宙の膨張と同じ速度で拡大するのだ。
理論が解く二つの宇宙の謎
この結果は、JWSTが幼い銀河で発見した超大質量ブラックホールの謎に新たな光を当てる。エディントン限界によるガスの降着だけでは説明できない巨大さも、宇宙膨張そのものの力で成長したと考えれば理解できるようになる。
現在の重力波検出器であるLIGO（ライゴ）やVirgo（ヴァルゴ）は、質量の「上限領域」に属するブラックホール同士の衝突を観測している。ここは星の進化論では理論上ブラックホールが生まれるはずのない領域だ。時間とともにブラックホールが宇宙膨張に伴い拡大し続けるならば、こうした異例な質量を持つブラックホールの存在も説明がつく。
JWSTや他の観測施設からこれ以降得られるデータが、この理論の検証に十分な証拠を提供できるかどうかが、今後の焦点となる。
出典: Universe Today
