[비즈한국] 未だ解けないミステリーの一つ、ブラックホールは本当に永遠なのか？スティーヴン・ホーキングは、ブラックホールでさえ粒子を放出して徐々に蒸発する可能性を示した。ホーキング放射である。まるで熱を帯びた星が光を放つように、正確に黒体放射の形でブラックホールもエネルギーを放出しうるという概念だ。
ホーキング放射は、ブラックホール周辺の事象の地平線の曲率によって変化する。質量の重いブラックホールは事象の地平線があまりに巨大で、かえって時空の曲率が小さい。一方、質量の小さなブラックホールは事象の地平線も小さく、曲率の度合いが激しい。そのためホーキング放射は、ブラックホールが重いときは非常にゆっくりと進行するが、ブラックホールが蒸発して軽くなるにつれて制御不能なほど速くなる。もしブラックホールが小惑星ほどに軽くなれば、非常に長い時間、相当な量の光を眩しく放出しなければならない。
最近、天文学者をときめかせた事件があった。伝説のホーキング放射をついに捉えたのではないかという驚くべき出来事だ。ホーキングの最後の夢、ホーキング放射を観測で証明できるだろうか？
天文学者たちはビッグバン直後、宇宙のいたるところに無数の原始ブラックホールが誕生したと考えている。初期宇宙には高密度で原始ブラックホールが満ちていた。これらは互いに素早く衝突して質量を大きくし、今日の銀河中心にある超大質量ブラックホールの種になったはずだ。私たちが期待するように、初期宇宙に多くの軽い原始ブラックホールがあったのなら、当然、遠く離れた過去の宇宙を見れば、これらが放つ眩しい閃光を捉えられるのではないだろうか？
たとえ今はすべて消えたとしても、かつて存在したはずの原始ブラックホールが放出した高エネルギー粒子が宇宙空間を漂っているはずだ。太陽風の影響圏を脱し、すでに星間宇宙の旅に入ったボイジャー探査機の検出器に、こうした原始ブラックホールの痕跡が捉えられると期待する天文学者もいる。ただ残念なことに、ボイジャーのバッテリーは遠からず完全に切れる。そのため、ボイジャーの微かな信号だけに頼って原始ブラックホールの痕跡を探すのは難しい。
ところが、2023年2月13日、地中海の深海に設置されたニュートリノ検出器「KM3Net」で驚くべき信号が検出された。KM3Netでは数千個の光学センサーが、高エネルギーニュートリノが水中を素早く通り過ぎる際に広がるチェレンコフ放射の痕跡を検出した。フランス、ギリシャ沖の海底に設置中のKM3Netは、まだ検出器の一部しか設置されておらず、建設の真っ最中だ。すべて完工すれば、合計1km³に及ぶ巨大な体積の海底空間が検出器で満たされることになる。水中版のスーパーカミオカンデと見ることができる。
検出器に捕捉されたニュートリノは、なんと220PeV（ペタ電子ボルト）レベルの凄まじいエネルギーを秘めていた！これがどれほど凄いレベルかといえば、現在地球にある最も強力な粒子加速器を稼働させて作れる最も強力な粒子のエネルギーが、このニュートリノエネルギーの1万分の1にも満たない。人間が決して真似できないほどの巨大なエネルギーの粒子が、宇宙の彼方から飛んできたのだ！天文学者たちは、もしかするとビッグバン直後1秒も経たない頃に誕生した極初期の原始ブラックホールが消滅しながら放出した痕跡かもしれないという希望さえ抱いた。
検出器に感知されたニュートリノが残した痕跡をもとに、もしそのニュートリノを放出した犯人が本当に原始ブラックホールなら、どれほど重いブラックホールであるべきか、またどれほど遠い距離から飛んできたのかを推論した。その結果、わずか山一つ程度の質量を持つ原始ブラックホールが、たった12億kmの距離で蒸発しながら放出したニュートリノであるべきだという結論が出た！これでは土星までの距離にしかならない。言い換えれば、小惑星どころか山一つ程度の非常に小さな原始ブラックホールが、それもビッグバン直後1秒しか経っていない頃から今日まで生き残った原始ブラックホールが、遠い宇宙でもなく太陽系の中に偶然入り込み、最近になって突然消滅しながら凄まじい高エネルギー粒子を放出したということになる。本当に心躍る話だが、一方で疑わしくもある。
実は、高エネルギーニュートリノを生み出すのは原始ブラックホールだけではない。例えばガンマ線バースト天体や超新星爆発のような他の強力な爆発現象もニュートリノを放出できる。もし本当に原始ブラックホールが消滅しながら残したニュートリノなら、正確にブラックホールが消える瞬間だけでなく、その数時間前から継続的に同レベルのガンマ線が同時に検出されているはずだ。ニュートリノ検出直前から高エネルギーガンマ線も同じ方向から捕捉されてこそ、本物の原始ブラックホールであったことを証明できる。
すでに地球上にはニュートリノとガンマ線を待つハンターたちが多く設置されている。今回の研究で天文学者たちは、南極の氷の下の海中に設置された別の水中ニュートリノ検出器「アイスキューブ（IceCube）」、チベット高原付近の高地で大気圏から降り注ぐ高エネルギー宇宙線粒子を待つ「大型高高度空気シャワー観測所（LHAASO）」、そしてメキシコに位置する標高4100mのシエラ・ネグラ火山の麓にある「高高度水チェレンコフ観測所（HWAC）」の観測結果を比較した。
しかし、そのどこからも他のニュートリノやガンマ線の痕跡は捕捉されなかった。もしKM3Netで検出した粒子が原始ブラックホールによって飛来した高エネルギーニュートリノであったなら、LHAASOではブラックホールが消滅するまでの少なくとも7時間から14時間の間に、数億個を超えるガンマ線を捕捉しているはずだった。IceCubeでもブラックホールが消滅する最後の瞬間に、少なくとも100個を超えるニュートリノを検出しているはずだった。残念ながらHWACはその期間、観測を休止していた。結局、KM3Netに捕捉された信じがたいほど強力な超高エネルギーニュートリノを放った犯人の正体は解明されなかった。悲しいが、少なくとも偶然太陽系内部まで侵入した原始ブラックホールではなかったようだ。
一部の天文学者は、ビッグバン直後から存在し、一般的な光学観測では発見が容易ではないという点から、原始ブラックホールが宇宙を満たしている暗黒物質（ダークマター）ではないかと疑っている。また最近、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測を通じて、宇宙の果て、初期宇宙で継続的に捉えられる別の謎、「小さな赤い点（Little red dot）」を原始ブラックホールと結びつけようとしている。しかし、まだ何一つとして私たちが期待する本物の原始ブラックホールに完璧に符合するものはない。
一つ確かなことは、少なくとも私たちが推測する宇宙の進化モデルに従えば、確かに宇宙は一時期、原始ブラックホールを大量に作り出した時期を経たはずだということだ。今頃はすべて質量を大きくして銀河中心の超大質量ブラックホールに変わったか、合体しきれなかった小さなブラックホールはすでに急速に蒸発して消えたはずだ。そうであれば、明らかに宇宙のどこかには原始ブラックホールが消滅しながら残した高エネルギー粒子が、あてもなく宇宙空間を漂っているはずである。
今回の議論は、原始ブラックホールを確実に発見して検証することには失敗したが、一つの大きな可能性を通じて自分なりの慰めを与えてくれる。今、私たちはガンマ線やエックス線のような古典的な高エネルギー電磁波だけでなく、ニュートリノという新しい目を通して宇宙を眺めている。また、それらがどこから飛んでくるのかを地図に描く新しいマルチメッセンジャー観測の時代を切り開いている。決して観測できないと諦めかけていた重力波も結局は捕捉したように、天文学者たちの粘り強い努力の末に、もう一つの伝説的存在である原始ブラックホールの尻尾も掴める日が遠からず来ることを願う。すでにこの世を去ったホーキングの叶わなかった夢が実現する日が来ることを願っている。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250524666A/abstract
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛している。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『日ごとに宇宙の一片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないが分かる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイド』、『私はどうして冥王星を殺したか』、『クォンタムライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。