未知の重力源ダークマターの正体が原始ブラックホールである可能性について検討している、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター(CfA)は、矮小銀河のハロー領域にある恒星を調査することで、「ダークマター＝原始ブラックホール仮説」の妥当性を検証できる可能性があると発表した。

研究論文は、英国王立天文学会誌「王立天文学会月報(MNRAS)」に掲載された。

  • 矮小銀河IC1613

    サイズが小さく光度の低い矮小銀河を調べることで、「ダークマター＝原始ブラックホール仮説」の妥当性を検証できる可能性がある。写真は矮小銀河IC1613 (出所:CfA)

ダークマターは、宇宙の全質量・エネルギーの27% 程度、エネルギーを除いた全質量の84% 程度を占めているとされる未知の重力源である。観測可能な天体からの重力だけでは説明がつかないさまざまな天文観測データから、電磁波による観測ではとらえることができない大量の重力源の存在が示唆されている。

ダークマターの正体については、「冷たいダークマター粒子」と呼ばれる未発見のエキゾチック粒子であるとする説などが有力視されているが、他にもさまざまな仮説が立てられている。今回取り上げる原始ブラックホール説もそのひとつである。

ブラックホールは通常、大質量の恒星がその寿命を終えるときに重力崩壊を起こし、自らの重力によって中心部に向かって限りなく凝縮していくことで発生すると考えられている。しかし、ブラックホールの中には、誕生後間もない初期の宇宙においてすでに存在していたものもあるとみられており、こうした原始ブラックホールは通常の恒星の進化プロセスの最後にできたとする説明では時間的なつじつまが合わない。

このため、原始ブラックホールの発生メカニズムについては、原始ガスが直接に重力崩壊するという説や、インフレーション理論で想定されている宇宙の急膨張とブラックホールの発生を関係づける説など、いくつかの仮説が出されている。

今回の研究では、原始ブラックホールが銀河の周囲に広がるハロー領域に存在しており、これがダークマターの正体であるとする仮説について検討している。

銀河の回転速度について、周縁部の速度が中心部と比べてそれほど低下しないという観測結果が得られており、これは電磁波による観測が可能な通常の物質の分布から予想される値とは大きく異なっている。このため、銀河の周囲のハロー領域には、電磁波で観測できない何らかのダークマターがあると考えられるようになったわけであるが、今回の研究によると、ダークマターの正体がエキゾチック粒子である場合と、原始ブラックホールである場合とでは、ハロー領域の密度分布に差が出るとする。

その差はわずかなものであり観測は難しいが、サイズの小さく光度が低い矮小銀河のほうが影響がよりはっきり表れやすいため、重力源として原始ブラックホールを仮定した場合のハロー領域での恒星分布と、実際の矮小銀河の観測による分布とを比較することによって仮説の妥当性を検証できる可能性があるという。

また、研究チームは、ダークマター＝原始ブラックホール仮説が成り立つために必要なブラックホールのサイズについても計算。それによると、ハロー領域にある原始ブラックホールに要求される質量は太陽2～14個分であるという。なお、この値はブラックホールの質量として予測される値の範囲と一致している。