Investigation of primordial black holes and macroscopic dark matter
| Project Area | What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter |
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| Project/Area Number |
20H05853
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
柳 哲文 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (60467404)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 知広 立教大学, 理学部, 教授 (60402773)
黒柳 幸子 名古屋大学, 高等研究院(理), 特任助教 (60456639)
佐々木 節 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任教授 (70162386)
KUSENKO ALEXANDER 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (70817791)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥57,200,000 (Direct Cost: ¥44,000,000、Indirect Cost: ¥13,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
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| Keywords | 原始ブラックホール / ダークマター |
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| Outline of Research at the Start |
原始ブラックホール(Primordial Black Hole:PBH) とは宇宙初期に形成されるブラックホールの総称である。本計画研究ではPBH に関するこれまでの理論的研究をより「深化」（精密化，精度向上）させると共に，標準的なPBH 形成過程を超えた幅広いモデルへの「拡張」を行い，過去，及び将来の観測による「検証」を提案し，徹底的にPBH のダークマターとしての可能性を精査する。また，PBHだけでなく，比較的コンパクトで巨視的な天体によるダークマターに関しても共通する点が多く，その可能性についても併せて検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
標準的な原始ブラックホールの形成ではインフレーションによる量子揺らぎがもととなるが，その揺らぎは同時に原始重力波のもとともなる．ゆえに原始ブラックホールと原始重力波の振幅には相関が期待される．原始重力波を計算する上で，座標系の違いによる非物理的な差をどのように解消するかという問題が知られていたが，原始重力波の計算に適した座標系を明らかにすることでこの問題に対する実用上の解決方法を提案した．
原始ブラックホールと星間ガスの相互作用を考え，その加熱効果を考えることで数太陽質量から１千万太陽質量までの原始ブラックホール量に対する新しい観測的制限を得た．
原始ブラックホールの質量が小さいとホーキング輻射によって蒸発してしまい，現在の宇宙に痕跡を全く残さないと思われていたが，ブラックホールの空間分布の揺らぎによる2次重力波を考慮すると，既に蒸発してしまった原始ブラックホールの生成量に対しても，有意な制限が付けられることを発見した．
これまでの原始ブラックホール形成では主に物質成分として一つの流体を考え，形成過程を議論してきた．しかし一般には異なる実効的状態方程式を持つ複数の物質が存在し，それらの相対的密度比の空間的揺らぎを（等曲率揺らぎ）考えることができる．この等曲率揺らぎによる原始ブラックホールの形成を本研究課題の研究グループが世界に先駆けて行った．暗黒物質と輻射流体の密度比の揺らぎによる原始ブラックホール形成を考え，原始ブラックホール量に対する観測的制限からもととなる密度比の揺らぎに制限をつけることに成功した．また，無質量スカラー場と輻射流体による等曲率揺らぎからも原始ブラックホール形成が起きうることを球対称数値シミュレーションを用いることで示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルス感染症の影響で研究員の雇用が遅れ，数値計算コードの開発が遅れているため．
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| Strategy for Future Research Activity |
数値計算コードの開発については，球対称コードによる準備研究において進展があったため，３＋１次元の数値計算コードに機能を拡張することで研究を推進する．
原始ブラックホール形成の新しい可能性を追求するという方向性では，成果が上がっている等曲率揺らぎによる原始ブラックホール形成に関してより現実的なモデルを提案し，詳しい解析を行う．また，宇宙の初期揺らぎ起源でなく，未知の素粒子などによって構成されたソリトン星などの重力崩壊によって生まれる原始ブラックホールの可能性についてもより精力的に追及する．
観測的な原始ブラックホールに対する制限については，重力波との関連性に注目した研究において成果が出始めており，今後は関連研究者の間の連携をより密に取りながら，新しい観測的制限の可能性について議論を深めていく方針である．
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Report
(1 results)
Research Products
(8 results)
