約 30 億年前、地球が原始大陸が点在し、単細胞生物だけが生息する鮮やかな海の世界だったとき、2 つのブラック ホールが渦巻き状に渦を巻き、宇宙のはるか彼方の領域で衝突し、1 つのブラック ホールを残しました。太陽の約50倍重い。光を放たなかったので、事件全体は永遠に空虚に失われたままだったはずです.
代わりに、ペアの最後の瞬間と最終的な融合の目に見えない暴力は非常に大きく、現実そのものの構造を揺るがし、重力波（時空の波紋）を光の速度で外側に伝播させました. 2017 年 1 月 4 日の早朝、これらの波は現代の地球に押し寄せ、これまでに製造された中で最も正確な科学機器である先進レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) に到達しました。そこでは、波が真空断熱され、レーザーを浴びたミラーの位置を、単一の亜原子粒子の半径未満でシフトしました。光速で移動する波は、最初にワシントン州ハンフォードに設置された LIGO ミラーを乱し、約 3 ミリ秒後にルイジアナ州リビングストンにある 2 番目のミラー セットを通過しました。各ステーションの可動ミラーから同期され、可聴周波数に変換された宇宙を揺るがす重力波は、単一の柔らかい「チャープ」のように聞こえました。それを分析することで、研究者たちは、ブラック ホールの隠された生命について、注目に値する、他の方法ではアクセスできない詳細を解き明かしています。 LIGO チームのメンバーによって木曜日に発表された調査結果は、Physical Review Letters に記載されています。 .
想像を絶するかもしれませんが、このようなチャープ音に同調することは今や日常的になっています。アインシュタインが一般相対性理論の結果として 1 世紀以上前に最初に予言した重力波は、完全に存在しないとは言わないまでも、観測の範囲を超えていると長い間考えられていました。しかし、「GW170104」と呼ばれる 1 月 4 日の鳴き声は、実際には LIGO が検出した 3 番目の重力波であり、約 30 億光年離れた場所から来ています。これは、2015 年後半に別々に検出された他の 2 つのイベントからの以前の鳴き声に続くもので、それぞれが近くで発生しましたが、まだ 10 億光年以上離れています。
天の川の超新星や銀河系の近隣での中性子星の衝突などの他の宇宙現象も検出可能な重力波を生成し、それぞれに革命的な洞察が伴いますが、これまでのところ、LIGO の 3 つの検出はすべて、遠く離れた宇宙のブラック ホール。
重力の虹?
当面の間、世界中の何千人もの科学者が、LIGO の限られた視野と、プロジェクトで確認された 3 つの検出を最大限に活用しています。各チャープの「ラウドネス」は、各イベントの私たちからの距離を明確に伝えてきましたが、LIGO のツインステーションは、現在のところ、何千もの大きな銀河を含む天の広大な範囲内のどこかにある可能性のある天体のソースを漠然と制限することしかできません.理論家たちはブラック ホールと相対論的プロセスに関する新たな洞察を渇望しており、観測天文学者は LIGO が検出されるたびに、残光やその他の電磁放射の放出を観測することを期待して、空の巨大なパッチをターゲットにするために行動を起こしています。結果として生じるより大きなブラック ホールは、光を放出しないはずです。
幸いなことに、光がなくても、合併の重力波は多くのことを明らかにします。 LIGO のチーム メンバーは、最初の 2 つのチャープの 10 億光年にわたる銀河間横断を既に使用して、重力波の伝播における「分散」の兆候を探しています。虹を作る波長。アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力波は分散をまったく経験しないはずであり、その予測からの逸脱は、アインシュタインの宇宙の相対論的計算が何らかの形で間違っていることを示唆し、物理学の新しいブレークスルーへの道を示す可能性があります. LIGO の 3 番目のイベントである GW170104 では、分散の兆候が明らかだったはずです。その重力波は、LIGO の前の 2 つのイベントの 10 億光年ではなく、30 億光年にわたって移動したためです。しかし、研究者が調べたところ、重力の虹は見えませんでした。ペンシルバニア州立大学とカーディフ大学の LIGO チーム メンバーである Bangalore Sathyaprakash 氏は、次のように述べています。 「しかし、分散は発見されず、アインシュタインが間違っていたことを再び証明できませんでした。」
同じ測定値を使用して、研究者は重力を媒介する仮想粒子であるグラビトンの質量にも焦点を当てました。ジョージア工科大学の物理学者であり、LIGO の副スポークスパーソンである Laura Cadonati は、次のように述べています。 「このイベントが前の 2 つのイベントの 2 倍であるという事実は、分散関係をテストするためのより長いベースラインを与えてくれます。その結果、以前よりも 30% 厳しい重力子の質量制限ができました。設定。一般相対性理論をますます厳密なテストにかけていると言えます.それはまだ保持されていますが、より多くの信号を使用すると、完全に一致しないものが見つかる可能性があります。」
ミステリアスなミドル級合併
LIGO の最新のイベントは、アインシュタインの一般相対性理論のそびえ立つ建物のレンガかもしれませんが、ブラック ホールに関する私たちの理解の基盤を再構築しています。 LIGO が検出する前は、天文学者は 2 種類のブラック ホールの決定的な観測しか行っていませんでした。そして、大きな銀河の核には、太陽の質量の数百万倍または数十億倍の質量を含む、まだ不確実な起源の超大質量ブラックホールがあります。どちらも銀河の形成と進化を理解する上で重要であると考えられており、星、惑星、人間を含む銀河に含まれるすべてのものの形成と進化にとってある程度重要です。 LIGO の合体におけるブラック ホールのほとんどは、20 太陽質量の限界より重いが、超大質量ブラック ホールよりもはるかに軽い中規模のものであり、その起源と、よく研究されている 2 つのブラック ホール集団との関係について疑問を投げかけています。
LIGO のかさばるブラック ホールについての一般的な説明は、それらが、ほぼ完全に水素とヘリウムで構成され、重い元素がほとんどない非常に原始的な非常に大質量の星から形成されるというものです。そのような広大な星のほとんどはより重い元素を持っているため、高速の風によって質量の多くを失いますが、「低金属量」の星は風が弱く、星の成分をより多く保持し、最終的には崩壊して寿命を迎えます。巨大な星のブラック ホール。
1つの従来の理論によると、LIGOの合体ブラックホールペアを作成するには、ペアとして形成される2つの大質量で低金属性の星の「バイナリ進化」が必要になります。たとえば、2 つの星が非常に接近している場合、生涯にわたって大気中のガスを循環プロセスで入れ替えることができます。これにより、軌道がさらに接近し、最終的に 2 つの密に周回する超大型ブラック ホールが生成されます。このプロセスの最後に、両方のブラック ホールのスピンと軌道が密接に関連するようになるため、各ブラック ホールの赤道は共有軌道の平面と一致します。
「ブラック ホールは、星とその周りの物質を引きずる竜巻のようなものだと考えてください」と Cadonati 氏は説明します。 「では、2 つが互いに周回していて、それぞれが時計回りまたは反時計回りに回転していると考えてください」と、軌道運動に合わせます。このような配列を持つ 2 つのブラック ホールは、配列されていない 2 つのブラック ホールよりも多くの回転エネルギーを持っているため、合体の最後の瞬間に合体するのに非常に多くの時間を必要とします。 LIGO の最新の発見である GW170104 の最も深いミステリーは、合体があまりにも早く起こったため、両方の元祖ブラック ホールがそれほど整列していなかったということです。カドナーティの類推によると、周回する「竜巻」の少なくとも 1 つは逆説的にその近くまたは横に傾いているに違いありません。
このような「スピンのずれ」を持つブラックホールのペアの最も一般的な説明は、それらが孤立した双子星の連星進化から形成されなかったということです。代わりに、各ブラックホールは独立して形成され、宇宙を何百万年も何十億年もさまよった後、どういうわけかそのパートナーを見つけたに違いありません.この「ダイナミック フォーメーション」チャネルを介した最終的な結合は、おそらく発生するでしょう LIGO 共同研究のメンバーではないノースウェスタン大学の物理学者 Fred Rasio は、球状星団と呼ばれる星の厚い群れの中にあると述べています。 「1,000 個のブラック ホールがモッシュ ピットに投げ込まれ、狂ったように互いに蹴り合うことを想像してみてください」と Rasio 氏は言います。 「彼らのスピンはランダム化されます。ダイナミクスは、穴がどちらの方向に回転しているかを気にしないため、穴が結合してペアになると、穴の回転と軌道の回転には相関関係がありません。」
ビッグバンからのブラック ホール?
一部の理論家によると、GW170104 の奇妙な不整列の最も良い説明は、そのブラック ホールが最初は星としてまったくなかったということです。 「高密度の球状星団であっても、これらのブラック ホールは、宇宙の時代にお互いを見つけるのに十分な密度で形成されることはありません」と、LIGO のメンバーではないマドリッド自治大学のフアン ガルシア ベリド教授は述べています。コラボレーション。 García-Bellido は、LIGO の異常に重く、奇妙にずれて合体するブラック ホールが、実際には「原始ブラック ホール」の推定集団の一部であるという非正統的な考えの主要な支持者です。そのようなエキゾチックな物体は、星から発生するのではなく、ビッグバン後の最初の瞬間に発生し、その後宇宙を満たした燃えるようなプラズマ霧の特に密集した領域から合体した可能性があります.クラスターにグループ化された場合、原始ブラック ホールはスピンが整列していないマージ ペアを形成する可能性もあります。
しかし、LIGO で観測されたブラック ホールの一部またはすべてに原始起源を帰することには、もう 1 つの問題があります。これは、理論の最も魅力的な特徴または厄介なバグのいずれかと見なすことができます。ガルシア・ベリードらは、LIGO で新たに発見された合体するブラック ホールの集団を生成するのに十分な密度の原始ブラック ホールのクラスターも、暗黒物質の謎に対する自然な解決策になる可能性があると述べています。銀河の輝く星やガスへの重力の影響を通じて.
LIGOのハンフォード天文台の責任者であるマイケル・ランドリーは、最近の記者会見での質問に答えて、推測の概念を要約して、「原始ブラックホールは、私たちが見ることができる物質の周りのハローに集中しているという考えだろう」と述べた. . 「私たちが見ているのは、暗黒物質を形成する原初のブラック ホールである可能性はあります。」一方、天の川銀河周辺の原始ブラック ホールのハローをときどき探している一部の天文学者チームは、 の影響を説明するのに十分な数のハローが存在するという証拠をまだ見つけていないと、Landry 氏は付け加えました。 暗黒物質。 LIGO の結果は言うまでもなく、ビッグバンのブラック ホールが暗黒物質を説明するかどうかは、「未解決の問題」であると Landry 氏は述べています。
ブラックホール交響曲を聞く
2 星進化、動的ペアリング、ビッグバン、またはまったく別の何かから生まれたかどうかにかかわらず、LIGO の神秘的なブラック ホールの合体の真の起源がまもなく明らかになる可能性があります。コラボレーションの現在の最良の推測は、1辺が30億光年を少し超える立方体の空間で、毎年12から213の間のどこかでそのような合併が発生していることです.これは、感度を高めるためのアップグレードとインドでの新しいステーションの計画の最中にある LIGO が、最終的には 1 日 1 回から 1 週間に 1 回の割合でブラック ホールの合体によるチャープを検出する可能性があることを示唆しています。 LIGO の感度に近づいているコンパニオン重力波天文台である Virgo のアップグレードも進行中です。この夏には、両方のプロジェクトが同時に空を監視し、新しい天体の重力の不平の起源をより正確に突き止めます。 LIGO と Virgo を超えて、追加の天文台が今後数年間で世界中に登場する可能性が高く、よりきめ細かい重力波検索のための地球を取り巻くネットワークが作成されます。 2020 年代までに、非常に多くのブラック ホールの合体ペアから鳴き声が猛烈な速さで発生し、その音がシンフォニーを形成する可能性があります。
「異なるモデルを区別できるのは、1 つまたは 2 つのブラック ホール バイナリではありません」と Sathyaprakash 氏は述べています。 「それは検出の母集団からのものであり、スピンと質量の分布が得られます。そこで形成メカニズムの違いが明らかになります。」非常に重く、整列していないブラックホールのペアは非常にまれであることが証明される可能性があり、ほとんどの合体が連星の孤立したシステムから発生するというケースを強化します。ガルシア＝ベリド氏によると、LIGO の合体で発生したブラック ホールが太陽よりも軽いことが判明した場合、これは原始ブラック ホールの「決定的な証拠」となるでしょう。
「私たちが発見する前は、これらの [ミドル級] ブラックホールは存在した」とカドナーティはGW170104を発表する記者会見で語った. 「私たちが今知っていることは、まず第一に、彼らは存在し、初期の宇宙で重要な役割を果たした可能性があり、彼らがどのように振る舞ったかを垣間見始めている.これにより、宇宙に新しい窓が開かれ、私たちはどこから来たのかについてより多くのことを学んでいます.それが大きな興奮です。」
