宇宙ガンマ線・X線の精密解析による原始ブラックホール暗黒物質の探索

Research Project

Project/Area Number	23K03376
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	Hirosaki University
Principal Investigator	仙洞田雄一弘前大学, 理工学研究科, 教授 (80606111)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2026: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	ブラックホール / ホーキング放射 / ガンマ線 / 原始ブラックホール / 暗黒物質
Outline of Research at the Start	本研究は宇宙の暗黒物質の正体解明を目指す研究である。ビッグバンの時期の宇宙で形成される原始的なブラックホールはその候補の一つであり、ホーキング放射と呼ばれる現象を通じて宇宙線を生成している可能性がある。原始ブラックホールが電磁波でどのように輝くかを精密に計算し、種々の宇宙観測データを通じて探索する。暗黒物質ばかりでなく、ビッグバン前後の初期宇宙の有様や、素粒子の理論に関する情報も得る。
Outline of Annual Research Achievements	当該年度は大きく分けて二つの成果があった。一つ目は、ブラックホールがホーキング放射する粒子のスペクトルの数値データを作成したことである。多数のホーキング温度のサンプルについて、各温度の黒体分布（より正確には、ブラックホール周辺の時空曲率の効果を加味した灰色体分布）に従う一次粒子の放射を与え、それらの一次粒子からの電磁シャワーとQCD（量子色力学）ジェットによって生成される二次粒子のスペクトルを計算した。従前の結果から向上したのは、計算するホーキング温度の範囲をより高温にまで拡げたこと、および、二次粒子の計算のために用いるモンテカルロコードPythiaの最新バージョン（計算実施時点）を用いたことである。これらによって本研究計画の第一の目標が達成できた。二つ目は、ホーキング温度ごとの粒子スペクトルを積分し、原始ブラックホールの蒸発間際に発生することが期待されるバースト的ガンマ線放射のスペクトルを計算したことである。この計算自体は研究計画に記した内容に含まれてはいなかったが、計画と密接に関連したものであり、かつ他の研究者らの動向から緊急性が高いと判断したために優先的に着手した。前述したように高温のホーキングの領域まで二次粒子の放射スペクトルを計算したことで蒸発の間際まで積分をすることができるようになり、結果として放射ガンマ線のエネルギーの計算範囲をより高エネルギーにまで延長することができた。現行のガンマ線望遠鏡が感度を持つエネルギー帯を覆う範囲にまで計算領域を拡張できたことで、ガンマ線望遠鏡での観測量の予言が正確にできるようになった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究計画では、第一の課題として原始ブラックホールのホーキング放射によって生成される二次粒子スペクトルの精密な数値計算に取り組むとしていたが、1年目のうちに順調に進みこれまでに概ね完了している。
Strategy for Future Research Activity	共同研究者らと議論する中で原始ブラックホールの蒸発間際に短時間にエネルギーが急上昇するバースト的な放射という非常に興味深い現象があることに気づき、他の研究者に先んじて研究を進める必要があると判断された。2年目は、第二の課題として挙げた陽電子の対消滅スペクトルの計算よりも優先してこの研究に取り組む予定である。