[비즈한국] 映画『プロジェクト・ヘイル・メアリー』における最も興味深い設定の一つは、異星生命体ロッキーが世界を認識する方法である。ロッキーが属するエリディアン種族は、人間のように目で光を直接見るのではない。彼らは光を視覚ではなく、他の感覚へと翻訳してくれる道具を通じて星を理解する。エリディアンにとって星の光は、人間が考える暗黒物質や重力波に近い対象かもしれない。身体の感覚器官では直接感じられないが、精巧な装置を通じてのみ、その存在を察知できるからだ。
ロッキーが道具を通じて星を見て宇宙へ向かうように、人間もまた見えない宇宙を道具を通して感覚する。特に重力波は、人間の身体が直接感じることのできない時空そのものの震えである。ひょっとするとエリディアン種族には、星の光よりも重力波の方がむしろ自然な概念かもしれない。光を直接見ることのできない文明であれば、宇宙を理解する出発点が電磁波ではなく、空間の振動である可能性も想像できる。
人間はその震えを感じるために巨大な装置を作った。数キロメートルの長さのレーザー干渉計を地球上に立て、鏡と真空管、そしてレーザーを用いて時空の極めて微細な変形を測定する。人間の身体では決して感じることのできないものを、地球文明全体がひとつの感覚器官となって代わりに感じていると言える。現代天文学は、望遠鏡で光を見る学問を超え、宇宙が残した振動や粒子、重力の痕跡を読み解く学問へと拡張されている。
最近、この巨大な感覚器官は宇宙論全体を揺るがしかねない非常に奇妙な信号を捉えた。もしこの信号に対する解釈が事実であれば、人類はビッグバン直後の宇宙が残した最も古いブラックホールの痕跡を見たのかもしれない。宇宙が誕生して数分後や数秒後ではなく、それよりもはるかに早い時期に作られた可能性がある原始ブラックホールの痕跡だ。さらに、この信号は暗黒物質の起源とも結びつく可能性がある。
過去10年余りの間、LIGO、VIRGO、KAGRAは宇宙の震えを聞いてきた。重力波検出器が主に捉えたのは、互いを公転していたブラックホールや中性子星が最後の瞬間に衝突し、残した激しい時空の痕跡だった。これまで検出されたほとんどの重力波事象は、現在の恒星進化論で説明可能な質量範囲内にあった。巨大な星が生まれ、進化し、爆発し、その残骸として残ったブラックホールや中性子星が互いに衝突しながら重力波を放出した事象である。
しかし、これまでに観測された重力波の中で、太陽よりもはるかに軽い天体が作り出した信号はほとんど確認されていない。現存する重力波検出器が主に太陽質量以上の重い天体による震えに敏感であるという点は、天文学者にとって重要な限界として残っている。一般的に星の死によって作られるブラックホールは、通常、太陽よりはるかに重い。少なくとも太陽より質量の軽いブラックホールは、平凡な恒星進化だけでは作りにくい。
したがって、もし太陽より軽いブラックホールの痕跡が発見されるならば、ビッグバン直後の宇宙が直接作り出した原始ブラックホールである可能性が高い。原始ブラックホールは星が死んで作られたブラックホールではない。それは星や銀河が存在する以前、宇宙が極めて高温かつ高密度だった時期に、密度ゆらぎが直接重力崩壊して作られた可能性がある。
そうした点から、2025年11月12日にLIGO、VIRGO、KAGRA検出器が捉えたとされる重力波信号は極めて注目に値する。この信号は、原始ブラックホール二つが合体して作られた可能性が提起された。特に分析結果、二つの天体のうち少なくとも一つは太陽より質量が軽い確率が99%を超えるという解釈が出た。推定質量範囲は、おおよそ太陽質量の10%から80%前後に該当する非常に軽い領域である。
さらに興味深いのは、この重力波信号と同時に対応する電磁波信号が観測されなかったという点だ。可視光線はもちろん、X線やガンマ線においても明確な伴侶信号は確認されていない。これは、この事象が光をほとんど残さない高密度の天体、特にブラックホールの合体である可能性を裏付けるものだ。もちろん、まだこの信号が天体物理学的事象であると完全に結論づけられたわけではない。分析が進むにつれ、偶然のノイズである可能性は低くなっているが、依然として非常に慎重に検証すべき段階である。
それでも天文学者がこの事象に注目する理由は明確だ。もしこの信号が実際の天体物理学的事象に由来し、その正体が太陽より軽いブラックホールであるなら、人類は一般的な星の進化だけでは説明できない質量範囲のブラックホールを発見したことになる。もちろん、ブラックホールより少し軽い中性子星や、まだよく知られていない高密度天体である可能性も完全に排除はできない。しかし、少なくとも平凡な恒星進化の最後の段階というお馴染みの説明だけでは容易に理解しがたい事象であることは確かだ。
原始ブラックホールの可能性が重要なのは、それが宇宙の最も早い時期と直接結びついているからだ。原始ブラックホールは超新星爆発も、星の核融合進化も必要としない。宇宙がまだ熱いプラズマ状態だった時、ある領域が周囲より少しだけ密度が高ければ、その領域は自身の重力によって直接崩壊した可能性がある。そうして作られたブラックホールは星の質量ルールに従う必要はない。理論的には小惑星ほど軽い質量から、超大質量ブラックホールに近い巨大な質量まで多様に分布しうる。
このため、原始ブラックホールは古くから暗黒物質の候補の一つとして挙げられてきた。暗黒物質は光を出さず吸収もしないが、重力を通じて銀河や銀河団の運動に決定的な影響を及ぼす未知の成分だ。もし宇宙初期に数多くの原始ブラックホールが作られ、今まで残っているならば、その一部が暗黒物質の役割を担っている可能性がある。
今回の議論で特に興味深い部分は、原始ブラックホールの形成モデルだ。宇宙初期には強い相互作用、弱い相互作用、電磁気力といった基本相互作用の物理条件が今日とは大きく異なっていた。宇宙が冷えていく過程で特定の転移時期があり、その時に密度ゆらぎが増幅されて原始ブラックホールが集団的に形成された可能性が提示されている。このモデルでは原始ブラックホールの質量分布が広く広がるため、太陽質量より軽いブラックホールも自然に説明される。
今回報告された重力波信号の形態は、このような軽い原始ブラックホールの個体群モデルとよく合致すると解釈される。研究者らは、原始ブラックホールの質量分布と合体の可能性を適用した際、LIGO、VIRGO、KAGRA検出器でこのような原始ブラックホールの衝突信号が年間約0.8件から8件程度検出されうると推定した。非常に高い頻度ではないが、全く不可能な事象ではないという意味だ。
さらに、この信号が実際に原始ブラックホールの合体に由来するものなら、原始ブラックホールは宇宙全体の暗黒物質の少なくとも約4%を占めるという主張も提起されている。これは暗黒物質のすべてが原始ブラックホールであるという意味ではない。しかし、まだ正体が明かされていない暗黒物質の一部が原始ブラックホールで説明されうることを示している。
この解釈が正しければ、暗黒物質の正体は我々が考えたものよりもはるかに複雑かもしれない。暗黒物質は単一の新しい基本粒子だけで構成された単純な成分ではないかもしれない。その一部は原始ブラックホールであり、また一部はまだ発見されていない粒子であり、もう一部は物理的な起源が全く異なるかもしれない。宇宙の見えない質量は一つの答えにまとめられる問題ではなく、数種類の暗黒の成分が混ざり合った複合的な構造である可能性がある。
さらには、これまでにLIGO、VIRGO、KAGRAが検出した太陽質量の数倍から数十倍、あるいはそれより重いブラックホールの合体事象の中にも、原始ブラックホールの衝突が含まれている可能性が提起される。これまで我々は多くの重力波事象を恒星質量ブラックホールの合体として解釈してきた。しかし、宇宙初期に形成された原始ブラックホール個体群が実際に存在するなら、その一部は今日の重力波観測網ですでに捉えられているかもしれない。
人類は非常に妙な時代を過ごしている。我々は目で見ることのできない宇宙を、様々な翻訳装置を通じて感覚している。望遠鏡は可視光線を超えて電波、赤外線、X線、ガンマ線を翻訳してくれ、重力波検出器は時空の震えを数字と波形に変えてくれる。ロッキーが質感で星の光を読み取るように、人間はレーザーと鏡と真空管で構成された巨大な装置を通じて、見えない宇宙の振動を読み取る。
その翻訳装置を通じて、人類はあまりに軽すぎて存在し得ないと思われていたブラックホールの微かな痕跡まで探そうとしている。それが本当にビッグバン直後の原始ブラックホールが残した声であるならば、我々は宇宙の最も古い秘密が初めて音を立てる瞬間に立ち会っていると言える。光よりも前に、星よりも前に、銀河よりも前に存在していたかもしれないブラックホールが、138億年が経った今、時空の震えとして自らの痕跡を明らかにしている可能性がある。
もし重力波の振動を自由に感じることができるエリディアン文明があるなら、彼らにとって宇宙は決して静かな空間ではないだろう。ブラックホールと中性子星が衝突するたびに宇宙は低く鳴り響き、銀河の深部で発生した巨大な合体の痕跡は時空全体を通って広がっていくだろう。彼らにとって夜空は輝く点の風景ではなく、絶えず震え鳴り響く巨大な振動の海かもしれない。
ロッキーが初めて星の存在を理解したように、人間文明もまた見えないと思われていた暗黒物質と時空の震えを感覚しようとする新しい段階に入った。我々は今や宇宙を見る文明を超え、宇宙の振動を聞いて解釈する文明となった。そして、その震えの中には、星が生まれる前、宇宙が残した最も古い記憶が隠されているかもしれない。
筆者チ・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たいという夢を持つようになった。現在は世宗大学校自由専攻学部助教授として講演や執筆など、多様な科学コミュニケーション活動をともに行っている。『毎日宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ不思議な質問たち』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のか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。