ブラックホールが集まりにくい理由|天文学

それは古典的なロマンスのように始まります:2 つのブラックホールが出会います。アトラクションはほぼ瞬時です。彼らはお互いの周りで踊り、渦を巻いて近づき、やがて…

何まで？どんな恋愛でもそうですが、ここで物事がぐちゃぐちゃになります。

アインシュタインの一般相対性理論によって最初に予測されたブラックホールは、時空の構造にある底なしの穴です。重力の井戸は非常に深く、光さえも逃れることはできません。ほんの数個の太陽の質量を閉じ込める小さなブラックホールは、静かな地雷のように宇宙に散らばっていますが、最大のブラックホールである超大質量ブラックホールは、ほぼすべての銀河の中心を占め、落下する物質の奔流を巻き上げています。これらの巨人は、太陽の数億倍もの質量を含んでいます。天文学者は、宇宙の初期にさかのぼる数十、あるいはおそらく数百の銀河の合併の長い連鎖から形成されたと考えています.

「宇宙の構造の形成に関する私たちの全体像には、小さな銀河が合体して大きな銀河を形成し、大きな銀河が合体してさらに大きな銀河になるという階層的なプロセスが含まれています」と、物理学者のロバート・オーウェンは言います。オハイオ州のオバーリンカレッジ、Simulating eXtreme Spacetimes コラボレーションの一環として。それぞれの合併には数億年以上かかりますが、実際に見るには長すぎますが、理論家はシミュレーションを使用して、コンピューターコードですべてのことを再現できます。

そして、ここからトラブルが始まります。物理学者がシミュレーションを実行すると、衝突する銀河のペアの中心にある 2 つのブラックホールが動かなくなります。ブラックホールが正面から衝突することはめったにありません。代わりに、それらが出会うとき、それらは通常、別々の整列していない経路に沿って移動しているため、それらの保存された角運動量により、それらは互いに渦巻くようになります.それらはお互いの魅力に捕らわれたまま、ますます接近し、腕の長さで軌道を周回するようになります。その後、恥ずかしがり屋の恋人のように、彼らは先に進みません。

なんで？オーウェンは例えを提供しています。あなたの手がこれらのブラックホールの 1 つであり、合体する銀河系物質の群れを表す水の入ったバケツの中でそれを渦巻かせていると想像してください。最初は、水が手を押して速度を落とします。宇宙では、動的摩擦として知られるこの重力相互作用により、軌道上のブラックホールの角運動量が減少し、ブラックホールはパートナーに向かってドリフトします。しかし、時間が経つと、バケツの中の水が手と同じ方向に流れ始めるので、抵抗を感じなくなります。同様に、シミュレートされた銀河の合体では、星やその他の物体がその動きを 2 つの渦巻くブラックホールの経路に合わせます。そして、動的摩擦が徐々に弱まるにつれて、ブラックホールは安定した軌道に落ち着きます。

宇宙の形成に関する物理学者の話が正しければ、そのような対になったブラックホールは最終的に衝突し、互いに吸収して 1 つになるはずです。しかし、これを行うには、最後のパーセクを過ぎて内向きのスパイラルを再開するのに十分なエネルギーをどうにかして失わなければなりません。それらが非常に近づくと、わずか数十億マイル (約 0.001 パー秒) の距離に近づくと、一般相対性理論によれば、重力波の大きなクレッシェンド、つまり重力の擾乱から鳴り響く時空のさざ波の中で、それらの軌道運動量の最後のものを投棄します。この最後のエネルギーの爆発は、ブラックホールを一緒に押し込み、ブラックホールの質量に応じて、数時間、数日、または数年で作業を完了します。

この致命的な抱擁を駆り立てるものは何ですか? 「最終パーセク問題」として知られるこの問題は、単なる好奇心の問題ではありません。その答えは、宇宙がどのようにその精巧な構造を構築したか、そして重力自体の性質についての私たちの理解を変える可能性があります.そのため、物理学者がシミュレーションをいじくり回しながら、天文学者は、ブラックホールが野生の最終的なパーセク問題をどのように解決するかについての手がかりを求めて空を探しています。

過去 30 年間、天文学者は衝突のさまざまな段階にある二重の超大質量ブラックホールを含む数百の銀河のスナップショットを収集してきました。しかし、最も親密な肖像画でさえ、ペアが数千パーセクよりも近くを旋回していることは明らかになりません。カリフォルニア工科大学の計算科学者であるマシュー・グラハムは、「パーセクスケール以下で合併にはるかに近いものを探すのははるかに困難です」と述べています。地球上で最大の望遠鏡でさえ、このような狭い軌道にある 2 つのブラックホールの画像を解像できるほど拡大することはできません。

そのため、グラハムと彼の同僚は代わりに、間接的なルートで検索しています。それは、ちらつきのあるクエーサー光です。クエーサーは、巨大な太古の銀河の途方もなく明るいコアです。物質がその中心にある超大質量ブラックホールに向かって渦を巻くとき、それは円盤に蓄積し、その角運動量がこの質量の一部を銀河自体を凌駕する放射に変換します。ガスやちりは滑らかな流れで円盤に流れ込むわけではないため、クエーサーの光は通常、ランダムなパターンで変化します。

しかし、2013 年後半に、「痛い親指のように目立った」クェーサーが出現した、と Graham は言います。 Catalina Real-Time Transient Survey と呼ばれる共同作業からの 10 年分のデータを使用して、彼と彼の同僚は、奇妙に予測可能な信号を拾いました。誰かが宇宙の調光スイッチをゆっくりと切り替えているかのように、5 年半ごとに明るくなったり暗くなったりします。

何がこのサイクルを生み出しているのでしょうか? 「4 つまたは 5 つの異なる物理的なシナリオを思いつきました」と Graham 氏は言います。たとえば、第 2 の超大質量ブラックホールの回転は、クエーサーの放射ジェットをサーチライトビームのように日常的にリダイレクトしている可能性があります。あるいは、この余分なブラックホールが渦巻く物質の円盤をゆがめて、定期的にクエーサーを明るくしたり暗くしたりしていたのかもしれません。すべての研究者の説明には 1 つの共通点がありました:PG 1302-102 の中心にあるブラックホールが実際には 2 つのブラックホールである場合にのみ意味がありました。

PG 1302-102 の中心にブラックホール連星が本当に存在する場合、Graham と彼のチームはそれらの分離をわずか 0.01 パー秒と見積もっています。コロンビア大学のチームによる別の分析では、ブラックホールが衣服の層のように重力波を放出し、それらを内部に突入させる 0.001 パーセク、つまり太陽系の直径とほぼ同じであるとしています。お互いの腕。いずれにせよ、研究者が PG 1302-102 からの信号を正しく読み取っている場合、教訓は同じです:自然は最終的なパーセク問題を解決しました.

グラハム氏と他の研究者は、カタリナのデータセットでこれまでに 100 個以上のクエーサーを特定しており、ブラックホールの連星を含む可能性があると考えられています。彼らの疑いを確認できれば、これらの候補者は、自然がうまく隠してきた衝突物語のグランドフィナーレを垣間見ることができる.

しかし、最終的なパーセク問題の大きな変化 (ブラックホールがどのように安定した軌道から解放され、結合を完了するかが明らかになった) は、まったく新しい方法で宇宙を見ることからもたらされる可能性があります。「私たちは本当に電磁波をいじっているだけです」とオーウェンは言い、従来の望遠鏡を使用してタイトなブラックホール連星を見つける取り組みについて説明します。理論的には、ブラックホールの合体は超新星爆発の 1 億倍のエネルギーを放出するはずですが、そのエネルギーはすべて光ではなく重力波の形で発生します。「私たちは目で聞こうとしています。それは、ドラムが振動していることを、耳で聞くことができずに見ただけで推測するようなものです。」

重力波を介してブラックホールの衝突を観測することで、天文学者はより鮮明な視界を得ることができます。カリフォルニア工科大学の天体物理学者でマックスプランク電波天文学研究所の天体物理学者であるキアラミンガレリ氏は、「銀河の中心から発せられる光は、多くの場合、ガスや塵の雲によって吸収、再放出、または散乱されます」と説明しています。 . 「[重力の]波紋は、ガスや塵があっても気にしません。それらは邪魔されずにその中を移動します。これは時空そのものが動いている構造です。」

ただし、これらのさざ波を見つけるのは簡単ではありません。重力波天文学はまだ始まったばかりの科学ですが、まだ単一の検出結果が返されていません。さらに、LIGO などの最先端のレーザーベースの観測所は、天文学者が PG 1302-102 のような親密なブラックホール連星から放出されていると疑っているゆっくりと振動する波に敏感ではありません。

研究者たちは、代わりに、自然が提供する「望遠鏡」、つまりミリ秒パルサーを使用して、これらの擾乱を捉えることを望んでいます。これらの爆発した星の密集した回転する死体は、海のブイのように宇宙に点在し、原子時計の精度で地球を通過する電波のビームを一掃します。天文学者は、私たち自身の銀河系である天の川にある数十のミリ秒パルサー（「パルサータイミングアレイ」）のカチカチ音を監視することにより、最後のパーセクを通過する2つのブラックホールからの重力波の急増を明らかにする明確な偏差を探すことができます遠い銀河で。

急速なフラッターからゆっくりとしたうねり、およびその間のあらゆるものまで、これらの波のスペクトルシグネチャは、物理学者が統合プロセスの新しいモデルまたは修正されたモデルをテストできるデータを提供します。「パルサータイミングアレイは、この最後のパーセックスケールで何が起こっているかを知るために必要な唯一の手段です。バイナリブラックホールの合体の最終段階を実際に推進しているものは何ですか」と、ジョセフサイモンは言う。ウィスコンシン-ミルウォーキー。

重力波が存在しないことも、重要な手がかりになる可能性があります。ほぼ 10 年間の計時を経て、パルサータイミングアレイは「最終的に、検出されなくても何が起こっているかを知ることができるほど感度が高くなりました」とサイモンは言います。これらの配列がまだ重力波の匂いを拾っていないという事実は、衝突したブラックホールが最後のパーセクを通過したときに何が起こるかについての理論家の理解が正しくないことを意味する可能性があります。重力放射として噴出するのではなく、その最後の急落で失われたエネルギーの一部は、代わりに近くの星やガスとの未知の相互作用を通じて流出する可能性があります.たとえば、ブラックホールは、ブラックホールに向かっているいくつかの星を吹き飛ばす可能性があります。あるいは、それらの重力が周囲の塵とガスの円盤にトルクを与えているのかもしれません。物理学者がこのエネルギー吸収メカニズムを解明できれば、合体するブラックホールが最終的なパーセクをどのように通過するかを最初に説明できるかもしれません。

彼らの計算は、アインシュタインの予測の限界に達します。「一般相対性理論については、非常によく確認された理論であるかのように話します。ある尺度では、それは物理学で最も正確に確認された理論です」とオーウェンは言います。しかし、科学者は、物理学が 3 世紀以上前にアイザックニュートンによって設定された法則から劇的に逸脱するブラックホールの合体などの極端な重力イベントでそれをテストしたことがありません。エネルギー、運動量、質量などのなじみのある概念が意味を失う場所です。ブラックホールの結合からの重力の爆発が、一般相対性理論が言うよりも実際に弱いことが判明した場合は、微調整の時期かもしれません.

最終的に、ブラックホールのラブストーリーを完成させることで、私たちが地球上でどのような乗り物に乗っているかがわかります。重力波の大洪水に乗っているのか、それともただのしずくに乗っているだけなのか。「これは、非常に穏やかな銀河系外の時空の海と、非常に激しい時空の海との違いです」とオーウェンは言います。

ケイト・ベッカーは、物理学、天文学、その他の宇宙の不思議について書いています。彼女はマサチューセッツ州ブルックラインに住んでいます。