[비즈한국] 宇宙質量の大部分、実に80%近くを占めるとされるダークマター。一般的な原子で構成された私たちの体、惑星、星よりもはるかに多く存在している。実は宇宙は明るく輝く星の世界ではなく、ダークマターの世界だと言っても過言ではない。しかし、厄介なことに、この宇宙の主流を占めるダークマターの正体を誰も知らない。
ダークマターは光を放たない。そのため、いくら望遠鏡で宇宙を観測しても無駄だ。光を感知する古典的な観測では、その存在を確認できない。唯一、自身の質量に見合う重力を誇示するだけである。だからこそ、ダークマターという幽霊の存在は、彼らが残した重力の痕跡を通じてのみ推論できる。
光らず、ただ強い重力だけを誇示するダークマターの性質を考えていると、ふと思い浮かぶ別の存在がある。重力が強すぎて光さえ脱出できず、時空に穴を開ける存在、ブラックホールだ。多くの人々は以前から、宇宙の不足する重力を説明するために登場したダークマターというミステリーの正体が、実は宇宙空間の闇に潜む大小のブラックホールではないかと推測してきた。
私たちに馴染み深いブラックホールには大きく分けて2種類ある。太陽質量の数十倍の重い星が進化を終えて崩壊した後に残る「恒星質量ブラックホール」、そして銀河中心に住む太陽質量の数百万から数十億倍規模の非常に巨大な「超大質量ブラックホール」だ。
しかし、宇宙にはもう少し特別なブラックホールが潜んでいる可能性がある。ビッグバン直後、宇宙の歴史上最初に誕生した「原始ブラックホール」だ。原始ブラックホールは太陽一つよりもはるかに質量が軽い場合がある。地球一つ分の質量、さらには小惑星一つ程度の質量しかないほど軽い可能性もある。たとえ個々の質量ははるかに軽くても、非常に多くの数の原始ブラックホールが宇宙空間、我々の銀河周辺のハロー空間を満たして漂っているのであれば、これまで説明がつかなかった銀河の過剰な質量を説明できるのではないだろうか？考えてみれば、我々の銀河ハローを外見以上に重厚に満たしていたダークマターという幽霊の正体は、まさにこれら原始ブラックホールの影だったのではないだろうか？
最近、この偉大な問いに対する答えが出た。この答えを見つけるために、実に20年にわたる膨大な観測結果を活用した。20年もかけた長い待ち時間の末に確認された答えとは、果たしてどのようなものか？悲しいことに、我々の銀河周辺ハローに原始ブラックホールは存在しない。ダークマターの正体が原始ブラックホールであってほしいと願った天文学者たちの夢は、無残にも打ち砕かれた。
原始ブラックホールは、物理学者スティーヴン・ホーキング博士が提案した概念としても有名だ。通常、巨大な星が崩壊して作られる馴染み深いブラックホールとは異なり、原始ブラックホールは全く異なる方法で誕生する。ビッグバン直後、宇宙は太古から完璧に均一ではなかった。ある地域は周囲よりもごくわずかに密度が高かったり低かったりした。周囲よりわずかに密度の高い地域を中心に、周りの物質が少しずつ集まり始めた。密度の高い地域はさらに密度が高まり、密度が低かった地域は四方八方に物質を奪われて、より空っぽになっていった。この過程を経て、現在のような網目のように銀河が分布する巨大な宇宙大規模構造が完成した。
このように太古に存在した微細な密度差は、銀河を形作る「銀河の種」となった。一方、さらに密度の高かった地域は狭い領域に素早く物質が集まり、そのまま小さなミニブラックホールへと練り固められた可能性がある。数億年にわたる進化を終えて星が死ぬ際に残す一般的なブラックホールではなく、はるか昔のビッグバン直後、宇宙で最初に出現したかもしれない想像の中の存在、原始ブラックホールはこうして誕生したはずである。
こうして誕生した原始ブラックホールの一部は、早期に互いに凝集して体を大きくし、銀河中心にある超大質量ブラックホールへと合体した可能性もある。しかし、依然として圧倒的な数の原始ブラックホールが宇宙空間をそのまま漂っている可能性もある。我々の銀河周辺のハロー空間にも数多くの原始ブラックホールが漂っているとしたらどうだろうか？原始ブラックホールによる重力効果を、ダークマターによる効果と誤認したのではないだろうか？ダークマターの正体が本当にハローを漂う原始ブラックホールの破片なのかを確認するためには、我々の銀河ハローの中にどれだけの数の浮遊ブラックホールがあるのかを数えなければならない。
問題は、ブラックホールは直接光を放たない闇の存在だということだ。では、どうすればブラックホールの存在に気づくことができるだろうか？
ブラックホールは強力な重力で周囲の宇宙時空そのものを歪めてしまう。そのため、ブラックホールの向こう側にある背景宇宙の光が少しずつ異なる方向に曲がり、地球へと向かってくる「重力レンズ現象」が起こる。地球に住む私たち、遠方の背景天体、そしてその中間に重厚な重力で周囲の時空を歪める別の天体がほぼ一直線に並ぶと、背景天体の光が最も大きく歪む重力レンズ現象が発生する。
重力レンズは、簡単にワイングラスを使って理解できる。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のディープフィールドで観測した遥か彼方の背景宇宙の写真の上に、ワイングラスを一つ置いてみると想像してみよう。ワイングラスの底は完全に平らではない。中心に行くほどガラスの厚みが少しずつ厚くなる。そのため、ワイングラスの底の下にある写真が丸く歪んで見える。写真の上に置いたワイングラスをゆっくり動かすと、その下の写真に写っている天体の姿がゆっくりと歪んで見える。実際の宇宙で起きる重力レンズもこれに似ている。地球から眺める背景宇宙の視界の前を、周囲の時空を歪めるレンズ役の天体が通過すると、私たちはその向こう側の光を歪んだ虚像の姿で見ることになる。
特にレンズ役の天体が小さくて軽ければ、さらに特別な現象を見ることができる。レンズ天体を中心に複数の方向に曲がって飛んでいった背景星の光が、再び地球に向かって集まる。すると地球から見たとき、背景星は実際よりもはるかに明るく増幅されて見える。この現象を「マイクロレンジング（重力マイクロレンズ効果）」と呼ぶ。したがって、我々の銀河ハローの向こう側の背景星を休まずモニタリングしながら、背景星が一時的に明るく増幅されるマイクロレンジング現象がどれだけ頻繁に観測されるかを確認すれば、どれだけの数の原始ブラックホールがハローを漂っているのか、またそれぞれの質量がどれほど重いのかを把握できる。
ただし、問題がある。マイクロレンジングは純粋に偶然に起きる現象であり、予測できない。背景星の前をほぼ一直線で、偶然にもレンズ役の天体が遮るように通り過ぎなければならない。しかも、他の方向を見ていて見逃してしまえば、観測の機会はそのまま失われる！また、非常に長い歳月にわたって地道にモニタリングを続けなければ、見逃さずに原始ブラックホールを見つけることはできない。
質量が太陽程度とそれほど重くない天体がレンズ役を務める場合、背景星が明るく増幅される現象は約1週間ほど進行する。太陽質量の100倍ほど重いレンズ天体が背景星を歪めるなら、背景星は数年にわたって非常にゆっくりと明るくなり、再び元の明るさに戻る。したがって、このように重い原始ブラックホールの存在まで厳密に検証するには、数年以上、非常に長い期間にわたって休まず夜空を見つめ続け、背景星が一時的に明るくなって暗くなる増幅現象が起きるかを探知しなければならない！
このために天文学者たちは、我々の銀河内で起きるマイクロレンジング現象をひたすら待ち続けモニタリングする大規模観測プロジェクト「OGLE（Optical Gravitational Lensing Experiment）」を進めている。特に、我々の銀河ハロー空間を漂っているかもしれない原始ブラックホールによるマイクロレンジングを捉えるため、今回の分析では我々の銀河のそばを回る衛星銀河の一つである大マゼラン雲側の空を観測した結果を分析した。
大マゼラン雲と地球の間、我々の銀河のハロー空間で原始ブラックホールが偶然通り過ぎたなら、そのブラックホールによって大マゼラン雲の中の星明かりが一時的に明るく観測されるマイクロレンジング現象が起こり得る。数年にわたってゆっくりと続く比較的重い天体によるマイクロレンジング現象まで見逃さず最大限に捉えるため、天文学者たちはなんと2001年から2020年までの20年間積み上げられた膨大な観測データを分析した。その間、OGLEは大マゼラン雲の中で輝く8000万個近い星々の明るさの変化を継続的にモニタリングした。
もし我々の銀河ハロー質量の大部分を占めるダークマターの正体がすべて原始ブラックホールだとしたら、20年の間にマイクロレンジング現象が非常に頻繁に目撃されたはずだ。例えば、我々の銀河ハローの中の原始ブラックホールがすべて太陽質量10倍程度の質量を持つブラックホールだとしたら、全観測期間中に大マゼラン雲側の空で258回のマイクロレンジング現象が観測されたはずである。ハロー空間の中の浮遊原始ブラックホールが太陽質量100倍程度のブラックホールと仮定すれば合計99回、太陽質量1000倍程度のブラックホールと仮定すれば少なくとも27回のマイクロレンジングを確認できたはずだ。では、実際の20年にわたる膨大な観測結果はどうだろうか？
その結果は惨憺たるものだ。20年間、OGLEサーベイが大マゼラン雲側の空で捉えたマイクロレンジング現象は合計12回だけだった。しかも、背景星がどれだけ明るく増幅されて見えたかを通じてレンズ役をした天体の質量を求めてみると、12回すべてがすでに存在を知っている我々の銀河内の星によって引き起こされた単純なマイクロレンジングだった。つまり、ハロー空間を漂う原始ブラックホールによるマイクロレンジング現象は一つも確認されなかった。スティーヴン・ホーキング博士が予測したハロー内の原始ブラックホールは発見されなかったのである。
過去20年間の観測で確認されたマイクロレンジングを引き起こす高密度天体をすべてかき集めても、我々の銀河のハロー全質量を満たすことはできない。太陽質量の1.8×10⁻⁴倍から6.3倍の間の質量を持つ天体をすべて集めても、我々の銀河ハローの質量を満たすために必要なダークマター質量のわずか1%に過ぎない。より広い範囲まで含め、太陽質量の1.3×10⁻⁵倍から860倍の間の質量を持つ天体まで集めても、我々の銀河ハローの中のダークマター全質量の10%をようやく埋めるだけである。実質的に原始ブラックホールでは、我々の銀河のダークマター目標値をまったく満たすことができない。ダークマターの正体かもしれないと考えられていた最も有力な候補の一つだった原始ブラックホールは、今やその候補から消えてしまった。
今回の観測を通じて、ダークマターの質量の大部分が原始ブラックホールで満たされていると明らかになっていたなら、ダークマターのミステリーはもっと簡単に解けていたかもしれない。ブラックホールという厄介なミステリーは残るとしても、ダークマターが神秘的な物質ではなく、単に質量が軽くて見つけにくかっただけのブラックホールの破片だったという、もう少し平和な結末が可能だったからだ。しかし、今回の観測は、そのような平和な結末さえ期待できないことを示しており、物理学者たちを最も困惑させる結末を指し示している。ダークマターは、私たちがまだ把握できていない神秘的な粒子で構成された、全く新しい物質かもしれないということを。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6
執筆者：Ji Ung-bae。猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになる。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河同士の相互作用による進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）乗る天文学台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。