英国のポーツマス大学が主導した新しい研究は、ビッグバンは宇宙の歴史の絶対的な始まりではなかったと提案しています。いくつかのブラックホールは、私たちが知っている宇宙の誕生よりずっと前に形成され、「宇宙リバウンド」イベントを生き延びた可能性があります。研究チームはこれらの仮説上の物体を「宇宙化石」と呼び、それらは今も宇宙のあちこちに散らばっている可能性があり、現代天文学の最も深い謎の一つである暗黒物質の解明に役立つと期待されていると考えている。

伝統的な宇宙論では、約138億年前、宇宙は非常に高温で密度の高い初期状態、いわゆる「ビッグバン」から爆発し、その後徐々に銀河や大規模な構造が形成されたと考えられている。この標準モデルは、宇宙マイクロ波背景放射と銀河の分布を大規模に説明することに大きな成功を収めていますが、ビッグバンはなぜ起こったのか、そもそもなぜ宇宙はそのような「特別な」状態にあったのか、初期のインフレーションを引き起こした物理的メカニズムは何なのか、暗黒物質と暗黒エネルギーの正体など、依然として多くの未解決の謎を残しています。

新しい研究の筆頭著者であるポーツマス大学宇宙論・重力研究所およびスペインのバルセロナ宇宙科学研究所のエンリケ・ガズタナガ教授は、この研究は複数の困難な問題を同時に結び付ける可能性を探るものだと指摘した。この図では、宇宙は単一の「爆発」特異点から始まったのではなく、収縮から膨張への「宇宙の跳ね返り」を経験し、その過程でインフレーションに似た急速な膨張効果を生み出しました。最古の宇宙構造の一部はバウンス前に存在し、バウンス段階を「遺物」として通過し、初期の宇宙時代からの情報を保持している可能性があります。

アインシュタインの一般相対性理論の枠組みの中で、従来のビッグバンは通常「特異点」と関連付けられています。この理想化された状態では、物質の密度は無限大に近づき、既存の物理法則は破綻します。多くの理論物理学者は、特異点を宇宙の真の形而上学的な出発点としてではなく、現在の理論が適用可能な限界に達した兆候として見ています。対照的に、「リバウンド宇宙論」では、宇宙は巨大な物質の雲として始まり、最初はゆっくりとした収縮を経験し、その後密度が非常に高いがまだ有限の状態に達したときに逆転し、それによって収縮から膨張に切り替わり、数学的無限特異点を回避したと想像します。

研究チームは、この宇宙的なリバウンドは量子物理学の自然な効果によって引き起こされる可能性があると考えています。物質の密度が非常に高い場合、量子効果は圧力のような効果を生み出し、物質が無限小サイズに圧縮されるのを防ぎます。このメカニズムは、白色矮星や中性子星などの高密度天体で前例があります。新しいモデルでは、このタイプの量子圧力は宇宙全体のスケールに拡張されます。宇宙が全体として収縮するにつれて、量子効果は特定の臨界密度でのさらなる崩壊を防ぎ、初期のインフレーションに似た急速な膨張段階を再現しながら、新たな膨張のラウンドを引き起こします。

このメカニズムは、インフレーションの自然な説明を提供するだけでなく、今日観測されている宇宙の加速膨張（しばしば「暗黒エネルギー」に起因するもの）と関連している可能性もあります。この研究は、初期の収縮と反発の間に生成される量子効果と高密度構造が、大規模な追加の重力または「有効エネルギー成分」として現れ、それによって後の宇宙の進化に影響を与える可能性があることを提案しています。

この宇宙の歴史の物語において、ブラックホールは重要な役割を果たします。研究によると、一部のブラックホールは宇宙がまだ収縮段階にあったときに形成され、反発過程でもそのまま残り、今日私たちが住んでいる膨張する宇宙に到達した可能性があると指摘されています。ブラックホールの別の部分は、反発直後に形成された可能性がある。宇宙初期の異常に大きな密度変動により高密度領域が形成され、重力の影響で物質が崩壊しやすくなり、ブラックホールやその他の大きな宇宙構造が形成されたと考えられる。

研究チームの計算によると、十分な密度があり、大きさが約90メートルを超えるコンパクトな天体が存在する場合、それらは反発プロセスを生き延び、宇宙の新たな膨張段階で「遺物」として現れる可能性がある。これらの潜在的な遺物には、密度の乱れ、コンパクトな物体、古代のブラック ホールが含まれます。ブラックホールは、極度の重力環境に関する物理情報を記録するだけでなく、その後の銀河の形成と進化に長期的な影響を与える可能性があるため、特に懸念されています。

特に、これらの生き残った古代のブラックホールと暗黒物質の間には直接的な関係がある可能性があります。宇宙のリバウンド段階で十分な数のブラックホールが形成され保存された場合、それらは宇宙の暗黒物質の大部分を構成すると予想され、暗黒物質の源全体になる可能性さえあります。これは、天文学界を長年悩ませてきた暗黒物質問題について、新粒子仮説とは異なる解釈の道を提供するものである。

このモデルは、最近の天体観測におけるいくつかの異常についての手掛かりを提供する可能性もあります。たとえば、天文学者は初期宇宙で「小さな赤い点」と呼ばれる謎の物体のグループを発見しました。それらは宇宙初期に急速に成長した超大質量ブラックホールに関連しているようで、構造形成の伝統的なタイムラインと緊張関係にある。新しい研究は、宇宙が跳ね返った後にいくつかの巨大なブラックホールが「以前から存在していた」のであれば、宇宙は最初の銀河を構築する際にゼロから始める必要はなかったと指摘しており、これはなぜ「予想外に成熟した」高密度の物体や構造が宇宙の歴史のごく初期に出現したのかを説明するのに役立つ。」

宇宙の反発と古代のブラックホールの残骸に関するこの理論的枠組みをテストするために、研究チームはさまざまな潜在的な観測アプローチを提案しました。 1つは、初期の宇宙時代からの「遺物の重力波」を探すことです。大規模な崩壊と反発によって生じた時空の波紋は、特定のスペクトル特性を持って今日まで残っている可能性があります。 2 つ目は、宇宙マイクロ波背景放射の微妙な痕跡を探し、ビッグバン前の状況から来る可能性のある残留信号を検出することです。

ガスタナガ教授は、この理論はまだ開発段階にあり、モデルを改良し、蓄積されている正確な観測データと比較するには多くの作業が必要であると強調した。しかし、もし宇宙がリバウンドを起こしたとしたら、今日の銀河や大規模構造を形作っている「暗黒」成分（暗黒物質や暗黒エネルギーの発現の可能性も含む）は、ビッグバン以前の宇宙時代から残された深層構造である可能性が高い。

「宇宙のリバウンド遺物：ブラックホール、重力波、暗黒物質」と題されたこの研究は、2026年2月24日に発表され、宇宙の起源、暗黒物質の性質、極度の重力環境における量子効果に関する最先端の議論をさらに促進した。