重力が光に変わることがあるという驚くべき研究結果が報告される

通常の場合、無から有を生み出すことは不可能であるため、例えば質量を持たない粒子である光子が質量を持つ他の粒子に変化することはできません。しかし、宇宙が誕生した初期の非常に極端な世界では、重力の波から光が発生した可能性があるとの研究結果が報告されました。

Graviton to photon conversion via parametric resonance - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.dark.2023.101202

Gravity can transform into light, mind-bending physics paper suggests | Live Science
https://www.livescience.com/physics-mathematics/particle-physics/astronomers-found-a-way-for-gravity-to-create-light-new-study-suggests

これまで知られている重力の性質や振る舞いの多くは、アルベルト・アインシュタインが打ち立てた一般相対性理論を通じて理解されています。その中では、重力が生み出す時空のゆがみが粒子の運動に影響を与えることはあっても、重力そのものが粒子を生み出すことは一般的に想定されていません。しかし、重力は重力子と呼ばれる目に見えない粒子によって伝達されていると考えられており、この重力子が他の素粒子のように振る舞ったり、他の粒子に変化したりすることもあるという見方もあります。

2023年3月28日にプレプリントサーバーのarXivで公開した論文の中で、研究者らは本当に重力そのものが他の粒子に変化するのかを検証するべく、誕生して間もない極初期宇宙に目を向けました。この時代の若い宇宙はまだ小さく、高温で、密度も非常に高いため、あらゆる物質とエネルギーが想像を絶する規模に凝縮されており、その状態は最新技術で建造された粒子衝突型加速器でも再現できないほどだったと考えられています。

このような宇宙では、重力波が今より重要な役割を果たしていました。現在の宇宙での重力は、自然界をつかさどる4つの基本的な力の中で最も弱いため、惑星や恒星のような大きな質量から発生するものでなければ、目に見えるような作用を及ぼしません。

しかし、初期の極端な状態の宇宙では重力波はもっと強く、他のあらゆる存在に重大な影響を与えていた可能性があるとのこと。この初期の宇宙では、重力の波動が互いにぶつかり合って増幅されていき、やがて宇宙のあらゆる存在が波にもまれて共鳴効果を起こします。そして、重力波がポンプのような役割を果たし、物質を緊密な塊へと繰り返し圧縮していきました。

重力波は現代ではブラックホールの衝突などで観測されますが、重力波には時空の波紋としての性質があるため、その影響は巨大な質量同士の衝突といった相互作用に限られず、電磁場にも影響を与える可能性があります。このことから研究者らは、「重力波の共鳴による圧縮が放射線を極端な高エネルギー状態にすることで、光子が自然発生したのではないか」と考えました。これが、重力が光を生み出すメカニズムです。

計算によると、このプロセスは非常に非効率的であるため、急速に膨張する初期の宇宙では長続きしないとのこと。しかし、初期の宇宙に十分な物質があったとすると、あたかも空気中や水中を進む光が真空中より遅くなるかのように重力波が長く滞留することができるようになり、光子を大量に発生させる可能性もあることが分かりました。

初期の宇宙に関する研究はまだ始まったばかりであり、十分に理解されているとは言えませんが、今回の研究により重力が光を生み出す可能性という新たな知見が示されました。この作用により生み出された膨大な光は、物質の形成や宇宙の進化にも影響を与えると考えられるため、今回の驚異的な発見の解明が進めば、最初期の宇宙に関する理解に新しい革命が起きるかもしれないと期待されています。