聞こえてくるあのかすかな宇宙のハム音？ それは宇宙の冷蔵庫の音ではないかもしれません。新しい研究によると、パルサータイミングアレイで検出された重力波背景は、130億年以上前に形成された超大質量ブラックホールの幽霊のような反響である可能性があります。おそらくは、暗黒物質を動力源とする仮説上の「ダークスター」の崩壊によるものです。

Physical Review Dに掲載された研究で、コルゲート大学の研究者ソハン・ゴドラとコスミン・イリエは、初期宇宙で生まれた超大質量ブラックホールが、今日私たちが検出する重力波に永続的な痕跡を残すかどうかを調査しました。関連性は？ 若い宇宙で見られる驚くほど巨大なブラックホールと、数十億年後にこれらの巨獣がらせん状に近づくときに生成される重力波です。

研究チームは、初期のブラックホールの種の1つのクラス（超大質量ダークスターの残骸）が、パルサータイミングアレイ（PTA）信号を支配する可能性があることを発見しました。イリエ氏が言うように、「パルサータイミングアレイは通常、比較的最近の宇宙における超大質量ブラックホール連星の探査手段と考えられています。私たちの研究が示しているのは、その信号には、これらのブラックホールの祖先が宇宙の夜明けにどのように形成されたかについての情報も含まれている可能性があるということです。」

パルサー用語に精通していない方のために説明すると、パルサータイミングアレイは、高速で回転する中性子星を宇宙の時計として使用します。重力波が通過すると、地球に届く電波パルスのタイミングが微妙に変化します。多くのパルサーを追跡することで、チームはナノヘルツ周波数での確率的重力波背景の証拠を発見しました。これはおそらく、超大質量ブラックホール連星、特に合計質量が太陽の10億倍を超えるものからのものです。

しかし、それらのブラックホールはどうしてそんなに速く大きくなったのでしょうか？ そこでダークスターの登場です。これらの仮説上の原始星は、核融合ではなく暗黒物質の加熱によって動力を得ており、ブラックホールに崩壊する前に太陽質量の100万倍以上に成長することができます。ゴドラとイリエは、そのような種がどのように進化し、合体し、重力波を生成するかをモデル化しました。

彼らの結論は？ ダークスターの残骸がおよそ10^-3 Mpc^-3の数密度で存在する場合、その子孫はPTA信号の大部分、おそらく支配的な部分に寄与する可能性があります。対照的に、直接崩壊ブラックホールは、密度が10^-6 Mpc^-3に近く、寄与ははるかに少ないでしょう。

この研究はまた、巧妙なひねりも明らかにしています。PTA観測は、これらの初期の種がどれほど一般的であったかを制限できます。「これらの巨大な種をあまりに多く生成すると、PTAで検出される信号を過剰に生成することになります。少なすぎると、後でこれらの超大質量ブラックホールを効率的に組み立てるために他の源が必要になります」とゴドラ氏は述べています。種の密度が10^-2から10^-1 Mpc^-3程度になると、ハロー質量に応じて、観測された限界を超えるでしょう。

これにより、PTAは、赤方偏移が10を超える集団、つまり今日私たちが見る波の子孫を生み出した古代の天体を調査する予期しない能力を得ます。計算により、総ブラックホール質量がおよそ10^9太陽質量を超える連星が信号を支配することも確認されています。

だから、次に宇宙のハム音を聞いたときは、思い出してください。それは、暗黒物質を動力源とする星から生まれた、宇宙で最初の超大質量ブラックホールの重力波の痕跡かもしれません。宇宙がこんなにも劇的な起源を持っていたなんて、誰が知っていたでしょうか？