[비즈한국] 宇宙は膨張している。それも、その膨張は加速し続けている。1998年、宇宙の果ての超新星観測から議論され始めた「宇宙の加速膨張」は、今や宇宙の進化を説明する定説として定着した。しかし、宇宙の時空がなぜますます速く膨らんでいるのか、その原因は誰にも分かっていない。
宇宙は数多の銀河で満たされている。銀河同士は重力で引き合っている。重力だけが存在するのであれば、宇宙はむしろ収縮していくはずだ。それにもかかわらず宇宙が加速膨張しているということは、重力とは逆方向に宇宙の時空を膨らませる「未知のエネルギー」が作用していると見なさざるを得ない。結局、正体不明の未知のエネルギーに「ダークエネルギー」というもっともらしい名前を付け、その正体を必死に追いかけているだけなのだ。
ところが、数年前からダークエネルギーの起源について興味深い仮説が提唱された。ダークエネルギーに劣らぬ宇宙のもう一つの巨大な謎である「ブラックホール」こそ、ダークエネルギーの起源かもしれないという仮説だ。ダークエネルギーがブラックホールの中で作られているとは！ 宇宙で最もミステリアスな二つの存在が互いにつながっているかもしれないという点で、非常に魅力的な仮説だ。本当にブラックホールが、宇宙をますます速く肥大化させている犯人なのだろうか？
ブラックホールの中で一体何が起きているのか？ 誰にも分からない。私たちが観測できるブラックホールの境界は「事象の地平面」までだ。その向こう側の闇は見ることができない。時空が極端に歪んでおり、光ですら脱出できないからだ。数学的にはブラックホールの中心にはあらゆる質量が一点に集まった「特異点」があると推定するだけである。しかし一部の物理学者は、ブラックホールが完全に崩壊しないよう押しとどめる一種の反発力が内部で働いていると考えている。いわば、ブラックホールの中に真空エネルギーが存在するという考え方だ。
真空エネルギーとは、文字通り何もない真空自体がエネルギーを宿していることを指す。量子力学的な観点から見れば、真空は決して空っぽではない。リアルタイムで極めて短い瞬間に、粒子と反粒子が生成と消滅を繰り返している。一見すると何も起こらない静寂で空虚な世界のように見えるが、実際には真空でも粒子が休むことなく現れては消えている。1m³の真空は、約1ナノジュールの真空エネルギーを持っている。強大な重力で崩壊したブラックホールの内部にも、こうした真空エネルギーが働いている可能性がある。ブラックホール内部で形成された真空エネルギーが、重力に対抗してブラックホールの完全な崩壊を食い止めているのかもしれない。
そして、ここから驚くべき魔法のような推論が可能になる。アインシュタインの有名な公式E=mc²は、質量がすなわちエネルギーであり、エネルギーがすなわち質量であるという「等価原理」を示している。宇宙が膨張すれば、当然ながら宇宙時空に存在するブラックホールも膨張する。するとブラックホールはより多くの真空エネルギーを宿すことになる。ブラックホールが抱えるエネルギーが増えたということは、即ちブラックホールの質量が増加することを意味する。一部の天文学者は、宇宙時空の膨張そのものが、ブラックホールをより重く成長させていると推定している。
2023年には、宇宙膨張とブラックホール成長の間に繋がりがある可能性を示す興味深い研究が発表された（関連記事 [サイエンス] 宇宙最大のミステリー、ブラックホールとダークエネルギーの「奇妙な関係」）。当時、この研究論文の著者ファラハ博士は驚くべき事実を発見した。110億年前、60億年前、そして今日の宇宙で観測される銀河内の超大質量ブラックホールの質量分布を比較したところ、時間の経過とともにブラックホールの質量分布が一貫して成長していたのだ。
さらに驚くべきは、宇宙のスケールが膨張するにつれて、ブラックホールの質量が宇宙スケールのちょうど「3乗」に比例して重くなっていたことだ！ ファラハ研究チームの結果によると、宇宙が2倍大きくなれば、ブラックホールの質量はその3乗である8倍大きくなるという形で成長していたのだ。これは宇宙の体積が増えるにつれ、その体積に正確に比例してブラックホール自体の質量も成長していることを示す手がかりになり得る。
しかし、この主張を軽々しく受け入れるには慎重さも必要だ。私たちは今もなお、銀河中心の超大質量ブラックホールの成長メカニズムを完全には解明できていない。単に小さなブラックホールたちが長い時間をかけて合体して成長しただけではないようだ。ビッグバン直後の初期宇宙にあった巨大分子雲が一気に収縮して一度にこのような巨大なブラックホールが作られた可能性もあるが、これも確実ではない。とはいえ、最近ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を通じて、はるか遠い宇宙の果てで比較的若い超大質量ブラックホールを発見し、そのヒントの断片を探り当てつつある段階だ。
天文学者たちは本格的にダークエネルギーの正体を突き止めるため、宇宙全域の銀河の精細な立体地図を作成するDESI（Dark Energy Spectroscopic Instrument）観測を進めている。米国アリゾナ州にあるキットピーク国立天文台の望遠鏡で全天の銀河地図を作成し、これを通じて過去から現在に至るまで、宇宙の構造や銀河の密度がどう変化してきたかを比較する。そして、宇宙の膨張率が時間とともにどのように変遷してきたのかを追跡する。最近、DESIの最初の観測結果が公開されたが、まだ一部のデータとはいえ、興味深いことにダークエネルギーは一定不変ではなく、宇宙の年齢に応じて変化してきた可能性を示唆している。
最近、天文学者たちは、より精密にダークエネルギーの変動可能性を検証するため追加分析を行った。過去から現在まで、宇宙では星が生まれる割合が絶えず変化してきた。極初期には星が爆発的に誕生したが、宇宙がますます広がり、星を作る材料が枯渇するにつれて星を作る効率は沈静化した。星は質量に応じてそれぞれ異なる速度で進化する。特に重い星ほど急速にブラックホールへと崩壊する。宇宙が年を重ねるにつれ、各時期にどれだけのブラックホールが作られ、崩壊したかをシミュレーションできる。本当にダークエネルギーがブラックホールと結びついているならば、ブラックホールの生成率の変化は、宇宙の加速膨張度およびダークエネルギーの変化と類似の傾向を示すはずである。
上のグラフで横軸は宇宙の時間である（通常、天文学者は宇宙の年齢を単なる年単位ではなく、どれほど過去から流れてきたかを示す赤方偏移を使用する）。グラフの左側が現在、右に行くほどビッグバン直後の初期宇宙に遡る。したがって、時間の経過順に見るには右端から左端へ向かう方向で見なければならない。グラフの中で、今回の最初のDESI観測結果から把握したダークエネルギーの変化が色で表現されている。まだ最初のデータしか使用していないため、誤差範囲はかなり広い。
グラフには黒い実線と点線が見える。点線は既存の宇宙の星生成の歴史を反映して再現した結果だ。実線は、直近のジェイムズ・ウェッブ観測により、ビッグバン直後の初期宇宙でも星が非常に爆発的に誕生していた可能性があるという推測を改めて反映・適用した結果である。そのため、黒い実線は右端（ビッグバン直後）でも急峻に上昇する。色で表現されたDESI観測結果の領域は誤差が非常に大きいものの、既存のモデル（点線）とジェイムズ・ウェッブの観測結果を反映したモデル（実線）の両方で、ブラックホールの生成率と宇宙の膨張率が合致していることが見て取れる。
しかし、グラフの最も左端、直近の20億年の間ではグラフが大きく食い違っている。20億年前までの過去の宇宙では観測結果とモデルがともに宇宙膨張をよく説明しているが、最も最近の20億年に入ると観測とモデルが大きく乖離する。今回の論文では、これについて最近の20億年の間に重い星がブラックホールに崩壊する割合が減少したためだと説明する。ブラックホールが生産される量が減ったためにダークエネルギーも減り、直近になって宇宙膨張が加速する度合いが少し減少したというわけだ。
彼らの主張は非常に興味深い。実はこれまで天文学者たちは、宇宙の進化を説明するためにダークエネルギーを時間経過に関わらず絶対変化しない「定数」として設定して分析してきた。大半の宇宙論シミュレーションも同様だ。しかし今回の結果を見ると、ダークエネルギーが不変の定数であるという従来のΛCDMモデル（ダークエネルギー・冷たいダークマターモデル）よりも、「ダークエネルギーがブラックホールと結びついており、その量が時間とともに変化している」と仮定したモデルの方が、DESIの観測結果をはるかにうまく説明できる。さらに、現在に近づくほどモデルと観測結果が食い違うという点は、最近天文学者を悩ませている「ハッブルテンション」という有名なミステリーを想起させる。
ハッブルテンションとは、銀河の動きから測定した比較的最近の宇宙膨張率と、宇宙マイクロ波背景放射を通じて観測した非常に遠い宇宙全体の膨張率の値がわずかに食い違う問題を指す。あるいはこの差は、時間経過とともに宇宙全体の膨張加速度自体が変化しているために生じているのかもしれない。もし本当にダークエネルギーがブラックホールと結びついているならば、宇宙がどれだけ速く膨張するかは、宇宙でどれだけ多くのブラックホールが作られているか、そのブラックホールの生産量に応じて決まる運命なのかもしれない。
まだ確実ではない。ブラックホールがダークエネルギーと結びついていると論じる前に、まず二つの問いに完璧な答えを出さなければならない。第一に、宇宙は本当に加速膨張しているのか？ 宇宙の膨張がますます速くなっているという「加速膨張」そのものに対する疑問が、まだ完璧に解消されていない。第二に、宇宙がダークエネルギーによって加速膨張しているならば、ダークエネルギーは本当に一定に維持されているのか？ それとも最近取り沙汰されているように、時間とともにダークエネルギーの量も変化しているのか？ この二つの問いに確実な結論が出て初めて、私たちはようやくダークエネルギーとブラックホールの繋がりをより鮮明に描き出せるようになるだろう。
興味深くはないか！ ブラックホールは一見、すべてを吸い込むだけの「収縮」の極致のように思える。何かを膨張させる存在などとは到底感じられない。ところが、そのようなブラックホールが宇宙全体をより速く膨らませているダークエネルギーの源泉かもしれないとは！ これほど劇的な反転の魅力が他にあるだろうか？
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acac2e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acb704
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2024/10/094
筆者ジ・ウンベは？ 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った。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にて、銀河の相互作用を通じた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。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。