QG研の研究

概要

  重力は最も昔から知られている自然界の相互作用でありながら，今尚，理論物理学の最前線でその研究が続けられています．一般相対性理論は古典的重力理論として大きな成功をおさめ，未だに観測結果との矛盾は発見されていませんが，ブラックホール周辺における強重力領域や1mm以下の短距離における重力相互作用など，様々な状況での検証が今も尚続けられています．また，一般相対性理論は古典論としての成功の一方で，量子的な側面に目を向ければ，他の3つの基本的な相互作用（電磁相互作用，弱い相互作用，強い相互作用）とは全く異なり，繰り込みが出来ない等の困難により，対応する場の量子論が分かっておりません．重力の量子的な性質を探る研究は理論物理学の最前線で様々な形で進められています．

当研究室では，一般相対論を中心とした重力理論を用いて，ブラックホールなどの強重力下での現象や，初期宇宙から現在に至るまでの宇宙論における諸問題を理解するための研究を行っています．また，一般相対論を超えた，修正重力理論等の枠組みに対して観測的検証を行うための基礎となる理論的研究も行っています．一方で，非自明な時空構造上で量子情報理論を応用することで重力と量子論の関係についての理解を目指すという基礎的な研究も行っています．

  以下，最近の研究内容をテーマ別に紹介します．

量子情報と重力

  近年，古典重力理論とその時空境界上で定義される量子論との対応関係（AdS/CFT 対応）についての理解が進み，その一環として重力が関与する量子現象を情報理論の立場に還元して理解する研究が進んでいます．この方向の研究の 1 つとして，我々の宇宙の構造の種であると考えられているインフレーション起源の量子ゆらぎの持つ量子相関の性質の解明に向けて研究を行っています．また，ブラックホールの量子現象であるホーキング輻射に対して量子情報論的手法を用いてその本質を理解する試みを行っています．

原始ブラックホール

  原始ブラックホールは宇宙初期に形成されるブラックホールの総称で，その総量や分布は原始宇宙の非線形な非一様性の痕跡を我々に与えてくれます．代表的な形成過程は，インフレーション中に生成された密度揺らぎに対して，偶然振幅が大きいところで進む重力崩壊です．通常の星の重力崩壊によって形成されるブラックホールでは限界質量の存在が知られており，太陽質量よりも軽いブラックホールは形成されません．一方で原始ブラックホールは形成過程が異なるため，どのような質量でも原理的に可能です．原始ブラックホールは暗黒物質の主な構成要素として，重力波で観測されているブラックホール連星の起源として，或いは初期宇宙を探る手がかりとして盛んに議論されています．一方で，原始ブラックホールの質量，角運動量は形成時の環境によってどう変わるのかなど，不明な点も多く残されています．我々は研究室の特色である，相対論的宇宙論と非線形重力についての知識を生かして原始ブラックホール研究を精力的に進めています．

ブラックホール時空の検証

　ブラックホール近傍の観測からブラックホール周辺の物質分布や重力理論の検証を行うための基礎的研究も行っています．例えば，銀河中心ブラックホール周りの恒星やパルサーの運動を観測することによって，重力場の検証が可能です．一般相対論から修正された重力理論や，仮想的な物質分布がそこでの観測量に与える影響の理論的な見積もりを行うことで，将来観測から得られる情報を整理し，より効率的な観測的検証方法の提案を目指した研究を行っています．また同様に修正重力や物質分布の影響は中性子性合体などによって形成される数十から百太陽質量程度のブラックホールについても期待されます．これらの情報は形成時のリングダウン重力波と言われる重力波の減衰振動に影響を与えると考えられ，将来観測を用いた検証に向けた基礎的研究を行っています．

ブラックホール物理

　我々の宇宙における高エネルギー現象には，AGN，γ線バーストなどブラックホールからのエネルギー引き抜きが関与していると考えられているものがあります．磁場を媒介としてブラックホールの回転エネルギーを抽出する方法としては，ブランドフォード・ナエック機構（BZ機構）とよばれるものが有力視されていますが，その完全な理解に向けて現在も研究が進んでいる段階です．我々はブラックホール磁気圏における波動現象の極限としてBZ機構を理解する試みを行っています．また，より一般的にブラックホールと波動の相互作用が関与する問題（ブラックホール時空における波動光学の定式化，ブラックホールのアナログモデル）についての研究を行っています．