ブラックホールは、星からだけ生まれるわけではない。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

ブラックホールの起源は星の死だけではない——原始ブラックホール理論の現在

宇宙には、直感に反する事実がいくつも潜んでいます。そのひとつが、ブラックホールの「生まれ方」です。学校で教わる物語では、巨大な星が燃え尽きて自重で崩壊し、光さえ脱出できない天体になる——それがブラックホールでした。しかし、星がひとつも存在しない宇宙誕生の最初期に、時空の密度のムラから直接ブラックホールが形成された可能性が、理論物理学者たちによって真剣に検討されています。それが「原始ブラックホール（Primordial Black Hole, PBH）」と呼ばれる概念です。

ブラックホール研究の出発点と「星の最終形態」という理解

ブラックホールという概念の歴史は、意外なほど古くさかのぼります。1783年、イギリスの聖職者で科学者でもあったジョン・ミッチェルが、「光さえ脱出できないほど重い星」の存在を理論的に予言していました。しかし本格的な研究が始まるのは、1915年にアルベルト・アインシュタインが一般相対性理論——重力を時空の歪みとして記述する理論——を発表してからです。

翌1916年、ドイツの物理学者カール・シュヴァルツシルトは、第一次世界大戦の最前線でアインシュタインの方程式を解き、ある半径の内側に質量を押し込めると光が逃げられなくなる解を導きました。これが「シュヴァルツシルト半径」、すなわち事象の地平面（イベント・ホライズン）の理論的な基礎です。

こうした理論的基盤のもと、ブラックホールは長らく「重い星の最終形態」として理解されてきました。太陽の約30倍を超えるような巨星が核融合の燃料を使い果たし、自重を支えきれなくなって中心が崩壊する——これが恒星質量ブラックホールです。

1960〜70年代に提唱された「星に依らない起源」という仮説

ところが1960年代後半から1970年代にかけて、まったく別の起源を持つブラックホールの可能性が提唱されます。ソ連のヤコフ・ゼルドビッチとイーゴリ・ノヴィコフ、そしてイギリスのスティーヴン・ホーキングらが示したのは、星の進化とは無関係に、宇宙の最初期に直接形成されたブラックホールという考え方でした。それが原始ブラックホールです。

この仮説が成立するための前提は、宇宙初期の時空に「密度のムラ」が存在したことです。ビッグバンから10⁻³⁶秒から10⁻³²秒ほどの極初期、宇宙は超高密度の状態で急膨張していました。この時代、量子ゆらぎ——ミクロのスケールで生じる密度の揺らぎ——が時空全体に刻まれていたと考えられています。

通常、こうしたゆらぎは宇宙の膨張に引き伸ばされ、後に銀河や銀河団の「種」となります。しかし、ある領域の密度が周囲より極端に高い場合——平均より数十パーセント以上も高い場合——その部分は自らの重力に抗しきれず、その場で崩壊するとされています。星を経由する必要はなく、空間が直接収縮してブラックホールが形成される、という機構です。

原始ブラックホールの質量は形成時刻によって決まる

この理論で興味深いのは、形成されるブラックホールの質量が「いつ崩壊が起きたか」によって決まる点です。理論的には、崩壊が起きた瞬間に光の地平線（因果的に繋がれる領域）に含まれていた物質量が、そのままブラックホールの質量になるとされています。

• 宇宙誕生から 10⁻²³秒に形成されれば、質量は小惑星ほど（約10¹⁵グラム）
• 10⁻⁵秒なら、太陽ほどの質量
• 1秒前後なら、太陽の10万倍にも達する

つまり原始ブラックホールは、恒星質量ブラックホールのような「太陽の数倍から数十倍」という制約に縛られません。月より軽いものから銀河中心の超大質量ブラックホールに匹敵するものまで、幅広い質量で存在しうるわけです。

なお、ホーキングの理論によれば、ブラックホールは量子効果によってわずかに熱を放射しながら蒸発します（ホーキング放射）。小さいものほど速く蒸発するため、質量が約10¹²キログラム以下の原始ブラックホールは、現在の宇宙の年齢（約138億年）の間にすでに蒸発し終えているはずです。それより重いものは、今も宇宙のどこかに残っている可能性があります。

ダークマターの候補としての原始ブラックホール——観測的な制約も存在する

原始ブラックホールが近年あらためて注目を集めている理由のひとつが、宇宙の謎であるダークマターとの関連です。

ダークマターとは、光を放たず電磁波で直接観測できないにもかかわらず、その重力によって銀河の回転や宇宙の大規模構造を支えている正体不明の物質です。宇宙のエネルギー組成の約27%を占め、私たちが知る通常の物質（約5%）の5倍以上存在するとされています。長年、その正体は未発見の素粒子（WIMPなど）に求められてきましたが、大規模な検出器を使った探索でも決定的な証拠は得られていません。

こうした状況のなか、「ダークマターの正体は未知の素粒子ではなく原始ブラックホールではないか」と考える研究者が増えています。新たな粒子を仮定せず、既知の物理学の枠内で暗黒物質を説明できるとすれば、理論的には魅力的なシナリオです。

この議論に弾みをつけたのが重力波の観測です。2015年、アメリカの観測装置LIGOが、約13億光年彼方で2つのブラックホールが合体した際の時空の振動を史上初めて捉えました。その後検出された合体ブラックホールの中には、太陽の数十倍という、通常の星の進化からは説明しにくい質量のものも含まれており、「これらは原始ブラックホールではないか」という議論が現実味を増しました。

ただし、原始ブラックホールがダークマターのすべてを担うとするには、いくつかの観測的な制約をクリアする必要があります。

• 大量の小さな原始ブラックホールが存在するなら、遠方の星の前を通過する際に光が一時的に増光する重力マイクロレンズ効果が頻繁に観測されるはずです。しかし、すばる望遠鏡などによるアンドロメダ銀河の大規模観測では、予想されるほどの数は確認されていません。
• 重すぎる原始ブラックホールが多数あると、宇宙背景放射（ビッグバンの残光）のパターンに影響が生じます。

これらの観測から、「太陽質量級の原始ブラックホールだけでダークマターのすべてを説明する」シナリオは、現時点では制約が厳しい状況です。一方、小惑星ほどの質量帯（10¹⁷〜10²²グラム程度）については、現在の観測手段で完全に否定されていない「窓」が残されており、この質量域の探索は引き続き活発に行われています。

太陽系内を通過する可能性と、未来の観測手段

原始ブラックホールの存在は、遠い宇宙論の話に限りません。もし小惑星質量の原始ブラックホールがダークマターを構成しているとすれば、計算上、太陽系の中を数十年に一度ほどの頻度でひとつが通過している可能性があります。大きさは原子より小さいながら、質量は山ほどある天体です。

科学者たちは、そのような天体が地球や月の近傍を通過した際に生じるわずかな重力の揺らぎを検出する手法として、惑星探査機の軌道データや月震計の活用を提案しています。

さらに、蒸発の最終段階にある原始ブラックホールを観測できれば、重力と量子力学を統一する理論の検証につながると期待されています。ホーキング放射の最後の段階で放出されるエネルギーのパターンは、現在の物理学では未解明の領域に踏み込む情報を含む可能性があります。

残された問いと研究の現状

ブラックホールは、星の死から生まれるだけではない可能性があります。宇宙が誕生してから1秒にも満たない時間に、時空の密度のムラが直接崩壊して形成された天体が、138億年を経た今も宇宙に存在しているかもしれない——それが原始ブラックホール仮説の主張です。

現時点では、原始ブラックホールの実在は確認されておらず、ダークマターの正体がこれで説明できるかどうかも未解決です。しかし重力波観測の進展、マイクロレンズ探索の精度向上、将来の宇宙背景放射観測などによって、この仮説を検証する手段は着実に広がっています。

星の光には映らない宇宙の構造を、どこまで観測で捉えられるか。原始ブラックホール研究は、その問いに最前線で向き合う分野のひとつです。