宇宙にはボース粒子でできた透明で不気味な星が散らばっている可能性

昨年天文学コミュニティーはある驚異を成し遂げました。初めてブラックホールの影の実際の映像を捉えたことで世界の注目を集めたのです。これは昨年の研究の集大成であり、人々の協力と技術力における見事な成果でした。

Credit:Olivares et al., MNRAS, 2020

これが科学の突破口となって、新たな研究の扉を開けました。オランダのラドバウト大学天文物理学者のヘクター・オリバレス氏とドイツのゲーテ大学からなる研究チームが行う研究というのは、どのようにM87*がブラックホールであると定義できるのか?というものです。

「この画像は私たちがブラックホールだと思う姿と一致しているのですが、私たちが見ているものが本当にブラックホールなのかを確認することが大事です。」とオリバレス氏はScienceAlertに話しています。

ブラックホールと同様にボソン星は一般相対性理論上存在すると言われている太陽質量の数百万倍になる非常に高密度な星です。この特徴は大質量ブラックホールの特徴と同じであることから、銀河の中心にある大質量コンパクト星のいくつかは実はボソン星の可能性があると唱える論文著者もいます。」

新たな論文でオリバレス氏のチームはボソン星が望遠鏡でどのように見える、ブラックホールの画像とどのように違うのかを割り出しました。

ボソン星は宇宙で最も奇妙な理論上の物質です。物質の塊であるということ以外は従来の星とは全く違います。しかし通常星はおもにフェルミ粒子と呼ばれる粒子(陽子、中性子、電子など私たちの宇宙の重要な部分を形成するもの)でできていますが、ボソン星は…ボース粒子のみでできています。

光子やグルーオン、そして有名なヒッグス粒子を含むこれらの粒子はフェルミ粒子のような科学法則には従いません。

フェルミ粒子はパウリの排他原理に従います。つまり2つ以上のフェルミ粒子は同一の量子状態を占めることはできないのです。しかしボース粒子は多体系をとることができ、重ね合わせたときひとつの大きな粒子、もしくは物質波のような動きをします。実験室での研究でボース=アインシュタイン凝縮と呼ばれる現が起こることがわかっています。

ボソン星では粒子は明確な値、もしくはスケール上の点で描かれる空間に押し込められます。適切なボース粒子が適切な配置にあるとき、『スケール場』は比較的安定した配置にあると言えます。

これはあくまで理論上の話です。実際に見た人はいないのです。そのような構造を持つために必要な質量を持つボース粒子は超大質量ブラックホールと一致しており、言うまでもなくまだ発見されていません。

もしボソン星を定義することができたら、このとらえどころのない物質を効果的に捉えることができるでしょう。

「超大質量ブラックホールと思われるものと同程度の大きさの構造を形成するためには、ボース粒子の質量は非常に小さい必要があります。(10-17 電子ボルト以下)」とオリバレス氏は話しています。

「質量が同じ、もしくは小さいスピン0ボース粒子は宇宙論モデルや弦理論に登場し、様々な名前(スカラー場暗黒物質、超軽量アクシオン、ファジー暗黒物質、波動関数暗黒物質)で暗黒物質候補であるとして提唱されています。このような架空の粒子の検出は非常に難しいのですが、ボソン星のような物質の観測でその存在を確認することができます。」

ボソン星は核融合しませんので放射線を放出しません。ただ宇宙にたたずみ、目には見えないのです、ちょうどブラックホールのように。

ところが、ブラックホールとは違いボソン星は透明なのです。光子を止める吸収面が不足し、事象の地平面がありません。光子はボソン星から逃げることが出来るのですが重力によってわずかに道筋が曲がります。

ボソン星の中には回転するプラズマの輪に囲まれているものもありますが、ブラックホールを囲む降着円盤とは異なります。ボソン星のプラズマはまるで内部がくらい輝くドーナツのようなのです。

ですから、オリバレスの研究チームはこのプラズマリングの動きをシミュレーションし、ブラックホールに見られるといわれている降着円盤と比較しました。

「私たちが使うプラズマの構成は(合理的な仮定のもと)『手作業』で設定していませんが、プラズマ力学の結果が得られました。これによってプラズマは徐々に発達して自然のものと同様の構造を形成することができました。」とオリバレス氏は説明しています。

このようにしてボソン星の画像の(まるでブラックホールのような)暗い部分のサイズをプラズマの不安定性が動きを止める部分の半径と比べました。つまり暗い部分のサイズは気まぐれで、ボソン星の時空の性質によって変化しますのでシミュレーションしていない別のボソン星のサイズを予測することはできます。

研究チームはボソン星の影がブラックホールの影に比べてかなり小さいことを突き止めました。ですから少なくとも研究チームのモデルによるとM87*はボソン星ではないことが分かります。

「[M87*]の質量は恒星の動きがブラックホールの影のサイズと一致位していると推測できるため、私たちが研究しているボソン星のものにしては大きすぎるのです。」とオリバレス氏はScienceAlertの取材に答えました。

しかし研究チームは技術的能力とブラックホールの画像をとらえたイベントホライズンテレスコープの限界を考慮に入れました。ボソン星がイベントホライズンテレスコープによってとらえた画像のように見えるかも知れないと考え、あえて結果を可視化できるように設定しました。

つまりコンゴイベントホライズンテレスコープで観察したものを比較して、それが本当に超大質量ブラックホールなのかどうかを決定することができるようになります。

もしこれがブラックホールでなければ大問題です。超大質量ブラックホールが存在しないことになってしまうからです。ブラックホールの質量の範囲はボソン星にしては大きすぎるのです。しかし、それはボソン星が存在することを意味し、初期の宇宙の膨張から暗黒物質の発見までの全てに大きな影響を与えることでしょう。

「スカラー場の存在を意味し、宇宙の構造の形成に重要な役割を果たしていたことになります。」とオリバレス氏はScienceAlertに話しています。

「超大質量ブラックホールの成長に関してはまだよくわかっていませんので、候補のうちのいくつかが実はボソン星だとわかったら、私たちはスカラー場を含む違った形成メカニズムを考えなくてはいけません。」

この研究はMonthly Notices of the Royal Astronomical Societyに7月に掲載されたものです。

reference:sciencealert



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