これまで観測された中で最大のブラックホール合体と思われるものから、重力波が検出されました。強力でこれまで観測されていなかった階層的な合併により、これまで検出されたことのない天体である中質量ブラック ホールが生まれました。
LIGOレーザー干渉計によって、太陽8個分のエネルギー出力に相当する大量の重力波バーストが検出されました。 LIGO とその姉妹プロジェクトである VIRGO の研究者は、波は 2 つのブラック ホールの合体によって発生すると考えています。しかし、これは平均的なブラック ホールの合体ではありません (そのようなものがある場合)。合体 ——重力波イベント GW190521 として特定された——これは重力波でこれまでに検出された最大のものであるだけでなく、天体物理学者が異なるサイズの 2 つのブラック ホール間で発生した「階層的合体」と呼ぶものの最初の記録された例でもあり、そのうちの 1 つはブラック ホールです。以前の合併から生まれました。
フランス国立科学研究センター (CNRS) の研究者である乙女座のメンバーである Nelson Christensen は、この信号を LIGO が最初に検出した重力波と比較して、「これは私たちが通常検出するチャープとはあまり似ていません」と述べています。 2015.「これは、何かが「爆発」するようなもので、LIGO と Virgo が観測した中で最も大規模な信号です。」
さらにエキサイティングなことに、このイベントで誕生したブラック ホールは、太陽の 100 ～ 1000 倍の質量を持ち、中間質量ブラック ホール (IMBH) の質量範囲にあるようです。研究者が数十年にわたって理論化してきたものの、これまで検出できなかったもの.
2019 年 5 月 21 日に LIGO によって発見された重力波信号は、訓練されていない目には 10 分の 1 秒強しか持続しない 4 つを超える短い波線として見えますが、LIGO Scientific Collaboration の主任研究員である Alessandra Buonanno 氏は次のように述べています。そのグループは高精度の波形モデルの開発に焦点を当てており、豊富な情報を保持しています。 「それは驚くべきことですが、約 4 つの重力波サイクルから、天体物理的なソースに関する独自の情報を抽出できました」と彼女は ZME Science に語っています。
ブラック ホールと驚異的な合体イベントに関する重要な情報を含むだけでなく、信号は地球から 170 億光年離れた場所で、宇宙が現在の年齢の半分であったときに発信されたため、最も遠い重力波源の 1 つでもあります。観察したことがあります。信号が移動した信じられないほどの距離は、最初は宇宙がわずか 148 億歳であるという事実と矛盾しているように見えるかもしれませんが、この不一致は、私たちの宇宙が静的ではなく膨張しているという事実から生じます。
国際チームの重要な発見の詳細は、Physical Review Letters などのジャーナルに掲載されている一連の論文で取り上げられています。 、The Astrophysical Journal Letters 、今日。
目次
- 失われた中質量ブラック ホールが 1 つ
- 2 対の不安定性と階層的なブラック ホールの合体
- 発見と驚きをもたらす 3 つの LIGO
- 未回答の 4 つの質問と今後の調査
中間質量ブラック ホールの欠落
これまでのところ、天文学者によって発見されたブラック ホールは、より大きな星の質量と同等の質量を持つブラック ホール、いわゆる恒星質量ブラック ホール、またはこれをはるかに超える質量を持つ超大質量ブラック ホールのいずれかでした。これらの質量の間に存在するブラック ホールは、もどかしいほどに隠されたままでした。今まで。
「LIGO と Virgo の共同研究により、非常に興味深いブラック ホールの合体に対応する重力波が検出されました。これは GW190521 と名付けられ、最終的な軌道と合体の間の 2 つの大きなブラック ホールに対応しています」と、LIGO の監督を担当する国立科学財団 (NSF) の重力物理学のプログラム ディレクターである Pedro Marronetti 氏は ZME Science に語っています。
したがって、結果として得られる 142 太陽質量のブラック ホール は、中間質量ブラック ホール (IMBH) を示す重要な、これまで検出されていない質量範囲に存在します。
「これらのブラック ホールは、太陽質量の 100 倍よりも重く、銀河の中心にある超大質量ブラック ホールよりもはるかに軽量であり、太陽質量の何百万倍、何十億倍にもなる可能性があります」と、これまで検出されていませんでした」とマロネッティ氏は言います。 「さらに、太陽の 85 倍の質量を持つ元のブラック ホールの重さにも謎があります。」
ペアの不安定性と階層的なブラック ホールの合併
マロネッティが言及している謎は、合体した 2 つのブラック ホールのうち重い方が、2 つのさらに小さなブラック ホール間の合体イベントによって作成されたに違いないことを示唆するサイズであるという事実です。 「ブラック ホールの形成の最も一般的なチャネルには、超新星爆発で寿命を迎える重い星が関係しています」と、NSF プログラム ディレクターは指摘します。 「しかし、この生成チャネルは、「ペア不安定性」と呼ばれる現象により、太陽質量の 65 倍よりも重く、太陽質量の 130 倍よりも軽いブラック ホールの生成を妨げます。」
核融合が停止すると、重力崩壊を防ぐのに十分な外向きの放射圧がなくなります。 「星は突然、電子と陽電子のペアを作るのに十分なエネルギーを持つ光子を生成し始めます」とマロネッティは説明します。 「次に、これらの光子は、星が自己重力によって激しく崩壊するのを止めるほど強くない外向きの圧力を生み出します。」
星の核とその外層。大規模な衝撃がこれらの「膨らんだ」外層を通過すると、大規模な爆発で吹き飛ばされます。小さい星では、露出したコアが残り、白色矮星、中性子星、ブラック ホールなどの星の残骸になります。しかし、その星が太陽質量の 130 を超え、太陽質量の 200 未満の範囲にある場合、結果はさらに悲惨なものになります。
「結果として生じる超新星爆発は、星を完全に消し去り、何も残さず、ブラックホールや中性子星は生成されません」とマロネッティは言います。 「この完全な崩壊を回避するのに十分な速さでブラック ホールに崩壊するには、200 太陽質量よりも重い星が必要です。」
マロネッティが指摘するように。これは、85 太陽質量のバック ホールは、2 つの小さなブラック ホールの合体によってのみ形成される可能性があることを意味します。これらの質量では、崩壊する星はブラック ホールを形成できないからです。 「これは、球状星団のようなブラック ホールの人口が密集している領域でのみ発生する非常に珍しいイベントです」と研究者は付け加えます。 「GW190521 は、ブラック ホールのこの「階層的合体」による可能性が高い最初の検出です。」
マロネッティは、階層的合体は、ブラック ホールによって生成された 1 つまたは複数のブラック ホールで構成されると説明し続けます。前回のブラックホール合体。この合併の階層により、元の小さいブラック ホールの集団から次第に重いブラック ホールが形成されます。
LIGO による発見と驚き
チームは、強力な最先端の計算モデルを使用して重力波信号を評価することにより、この特定の合併の異常な性質を明らかにしました。これにより、GW190251 がこれまでに観測された中で最も大規模なブラック ホールの合体に由来すること、およびこれが通常の合体ではなく階層的な合体であることが明らかになっただけでなく、このイベントに関与するブラック ホールに関する重要な情報も明らかになりました。
「信号は、最終生成物だけでなく、元のバック ホールの質量とスピンに関する情報も伝達します」と Marronetti 氏は付け加え、LIGO -VIRGO チームがそのスピンを測定できたことをほのめかしました。そして、ブラック ホールが一緒に円を描くように、それらも独自の軸の周りを回転していたことを確認します。これらの軸の角度は、軌道の軸と一致していないように見えました。この不整列のスピンにより、ブラック ホールは一緒に移動する際に「ぐらつき」ました。
「私たちの波形モデルは、GW190521 を検出し、その性質を解釈するために使用され、質量、スピン、空の位置、地球からの距離など、ソースのプロパティを抽出しました。初めて、波形モデルに新しい物理的効果、特にブラック ホールのスピンの歳差運動と高調波が含まれました」と Buonanno 氏は言います。 「高調波とは、同じ楽器を演奏するミュージシャンと異なる楽器を演奏するミュージシャンとのデュエットの音の違いのようなものです。
未回答の質問と今後の調査
信号 GW190251 を発生させた合併についてチームが収集できた驚異的な量の情報にもかかわらず、まだいくつかの未回答の質問と確認しなければならない詳細があります。
LIGO-VIRGO 検出器は、宇宙で重力波を検索する 2 つの非常に異なる方法、コンパクトな連星合体によって最も一般的に生成される特定の波パターンを選択するアルゴリズム、およびより一般的な「バースト」検索を使用します。後者は「通常とは異なる」信号を検索し、研究者が GW190215 を発見したメカニズムです。
モロネッティは、チームが使用した方法がこれらの秘密を解き明かすことができたことに驚きを表明し、この結果が LIGO の多用途性を示していると信じています。 「私が最も驚いたのは、合併の兆候を見つけるために特別に作成されたものではない検索アルゴリズムを使用して、このイベントが検出されたことです」と NSF のディレクターは述べています。 「これはこの種の最初の検出であり、コンパクトな合体を超えた現象を検出する LIGO の能力を示しています。」
これにより、信号が階層的な合併以外の何かによって作成された可能性がわずかに残ります。おそらくまったく新しい何か。著者らは、これまで知られていなかったいくつかの新しい現象の興味をそそる見通しを論文で示唆していますが、マロネッティは慎重です。ただし、これは過去の LIGO/Virgo 検出ほど確実ではありません。
「信号が超新星爆発やビッグバン中の出来事などの別の現象によって引き起こされた可能性はまだわずかにあります.これらのシナリオは可能ですが、可能性は非常に低いです。」
GW190251信号を発生させたイベントの性質を確認することは、干渉計が放出する重力波を介して同様のイベントを検索するため、LIGOチームが将来的に焦点を当てるものです. 「
GW190521 では、ブラック ホールの新たな集団の氷山の一角を見てきました」とブオナンノ氏は言い、LIGO の次の運用 (O4) では 3 倍の空間ボリュームを探索すると付け加えました。現在の実行 (O3) よりも。 「O3 では弱すぎて観測できなかった多数のイベントにアクセスできれば、GW150921 のような連星ブラック ホールの形成シナリオに光を当てることができます。」
