先月、カリフォルニア州サンタバーバラで開催された講演で、世界をリードする天体物理学者の何人かに向けて、セルマ・デ・ミンクは本題に入りました。 「彼らはどのように形成されたのですか？」
誰もが知っているように、「それら」は、10億年以上前に宇宙の遠い隅にある2つの巨大なブラックホールであり、渦巻き状に融合して融合し、空間と時間の構造に波を起こしました.これらの「重力波」は外側にさざ波を立て、2015 年 9 月 14 日に地球を通過し、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) の超高感度検出器をかき鳴らしました。 2 月に発表された LIGO の発見は、重力波が存在するというアルバート アインシュタインの 1916 年の予測を意気揚々と立証しました。時空のこれらの小さな震えに同調し、ブラック ホールの目に見えない活動を初めて明らかにすることにより、LIGO は宇宙に新しい窓を開くことを約束しました。ガリレオが最初に望遠鏡を空に向けたときのことだと言う人もいます。
すでに、新しい重力波データは天体物理学の分野を揺るがしています。それに応じて、サンタバーバラのカブリ理論物理学研究所 (KITP) で 30 人の専門家が 8 月に 2 週間を費やしてその意味を整理しました。
アムステルダム大学の天体物理学の助教授である de Mink は、議論を活発に開始し、LIGO がこれまでに検出した 2 つ (おそらくそれ以上) のブラックホールの合体のうち、GW150914 とラベル付けされた最初で最も強力なイベントについて説明しました。最大のパズルを提示しました。 LIGO は、太陽の質量の 10 倍近くの重さのブラック ホールのペアを見つけることが期待されていましたが、これらはそれぞれ約 30 の太陽質量を詰め込んでいました。 「彼らはそこにいます - 巨大なブラックホールです。私たちが思っていたよりもはるかに巨大です」とデミンクは部屋に言いました。 「それで、彼らはどのように形成されたのですか?」
謎は2つあると彼女は説明した.ブラックホールがどのように巨大になったのか.星のいくつかは崩壊してブラックホールを形成する.互いに — 宇宙の存続期間内に融合するのに十分近いか? 「これらは相互に排他的な 2 つのことです」と de Mink 氏は述べています。巨大で近くに生まれた星のペアは、通常、ブラック ホールに崩壊する前に混ざり合ってから合体し、検出可能な重力波を発生させることができません。
GW150914 の背後にある物語を突き止めることは、「私たちのすべての理解に挑戦しています」と、KITP の天体物理学者である Matteo Cantiello は言いました。専門家は、合体の瞬間から、星のペアの死、生、誕生までの不確実なステップをたどらなければなりません。カリフォルニア大学バークレー校の天文学教授であり、KITP プログラムの主催者の 1 人である Eliot Quataert 氏は、次のように述べています。 LIGO のデータを理解するには、星がいつ、なぜ超新星になるのかを推測する必要があります。どの星がどの種類の星の残骸に変わるか。星の組成、質量、回転が星の進化にどのように影響するか。それらの磁場がどのように機能するか。もっと。
この研究はまだ始まったばかりですが、すでに LIGO の最初の数回の検出により、連星ブラック ホールの形成に関する 2 つの理論が最前線に押し上げられています。サンタバーバラでの 2 週間で、今年初めに de Mink とその同僚によって提案された、ブラック ホール連星の形成に関する新しい「化学的に均一な」モデルと、多くの科学者によって支持された古典的な「共通エンベロープ」モデルとの間の競争が過熱しました。他の専門家。両方の理論 (および競合他社のクラスター) は、宇宙のどこかで真実である可能性がありますが、おそらくそのうちの 1 つだけが、ブラックホールの合体の大部分を説明しています。 「科学では」と、共通封筒の支持者であるシカゴ大学のダニエル・ホルツは言いました。
スター ストーリー
GW150914 の物語はほぼ間違いなく大質量星から始まります。これらの星は少なくとも太陽の 8 倍の重さで、まれではありますが、銀河で主役を演じています。大質量星は、超新星として爆発し、物質を宇宙に放出して新しい星としてリサイクルされる星です。その後、コアのみが崩壊してブラック ホールや中性子星になり、ガンマ線バースト、パルサー、X 線連星などのエキゾチックで影響力のある現象を引き起こします。 De Mink と共同研究者は 2012 年に、既知の大質量星のほとんどが連星系に住んでいることを示しました。彼女の話では、連星の大質量星は、状況に応じて「吸血鬼のように」「踊り」、「キス」し、お互いの水素燃料を吸います。しかし、闇のベールの後ろに後退し、衝突する点までそれらが収縮するのはどのような状況ですか?
1970 年代のソ連の科学者アレクサンドル ツツコフとレフ ユンゲルソンの研究から数十年にわたって展開されてきた従来の共通封筒の話は、広い軌道で誕生した一対の大質量星について語っています。最初の星が中心部の燃料を使い果たすと、水素の外層が膨らみ、「赤い超巨星」を形成します。この水素ガスの多くは吸血鬼のように 2 番目の星に吸い取られ、最初の星の核は最終的に崩壊してブラック ホールになります。相互作用はペアを近づけるため、2番目の星が膨らんで超巨星になると、2つを共通のエンベロープに飲み込みます.仲間は、水素ガスの中を歩きながら、ますます近くに沈んでいきます。最終的に、エンベロープは宇宙空間に失われ、2 番目の星のコアは最初の星と同様に崩壊してブラック ホールになります。 2 つのブラック ホールは、いつか合体するほど近くにある。
星は非常に多くの質量を放出するため、このモデルでは、太陽質量の 10 倍の重さの軽い側にブラック ホールのペアが生成されると予想されます。 LIGO の 2 番目の信号は、8 倍と 14 倍の太陽質量のブラック ホールの合体からのもので、このモデルのホーム ランです。しかし、一部の専門家は、最初のイベントである GW150914 は無理だと言います。
Nature の 6 月の論文で 、Holz と共同研究者の Krzysztof Belczynski、Tomasz Bulik、Richard O'Shaughnessy は、前駆星の重さが太陽質量の 90 倍程度で、金属をほとんど含まない場合 (質量損失を加速させる)、共通のエンベロープは理論的には太陽質量 30 倍のブラック ホールの合体を生成できると主張しました。 ）。このような重い連星系は、宇宙では比較的まれである可能性が高く、LIGO がそのような外れ値をすぐに観測したかどうかについて疑問を抱く人もいます。サンタバーバラでは、科学者たちは、もし LIGO が軽い合体に比べて非常に重い合体を多く検出した場合、共通エンベロープ シナリオの根拠を弱めることに同意しました.
従来の理論のこの弱点は、新しいアイデアへの入り口を生み出しました。そのようなアイデアの 1 つが 2014 年に生まれ始めました。バーミンガム大学の天体物理学者であり、LIGO 共同研究のメンバーであるデ ミンクとイリヤ マンデルが、デ ミンクが何年も研究してきた連星系の一種がまさに大規模な連星ブラック ホールを形成するためのチケットです。
化学的に均一なモデルは、タンゴ ダンサーのように「潮汐ロック」されるように、非常に急速にお互いの周りを回転し、非常に接近している一対の大質量星から始まります。タンゴでは、「あなたは非常に近くにいるので、あなたの体は常に向かい合っています」とダンサーのデ・ミンクは言いました. 「そして、それはお互いの周りを回転していることを意味しますが、同時に自分自身の軸の周りも回転させます。」この回転によって星がかき混ぜられ、全体が熱く均一になります。そして、このプロセスにより、両方の星がすべての燃料を使い果たすまで、星はコアだけでなく、内部全体で核融合を受ける可能性があります.星は膨張しないため、混ざり合ったり、質量を放出したりしません。代わりに、それぞれが自重で大規模に崩壊し、巨大なブラック ホールになります。ブラック ホールは数十億年にわたって踊り、次第に渦を巻いて近づき、時空が一瞬のうちに合体します。
De Mink と Mandel は、1 月にオンラインで投稿された論文で、化学的に均一なモデルを主張しました。大学院生のパブロ・マルシャンが率いるボン大学の研究者による、同じアイデアを提案する別の論文が数日後に発表されました。翌月、LIGO が GW150914 の検出を発表したとき、化学的に均一な理論が注目を集めました。 「私が議論しているのは、適切な質量のブラック ホールが非常にうまくできた瞬間に至るまで、かなりクレイジーな話でした」と de Mink 氏は述べています。
ただし、いくつかの暫定的な証拠を除けば、攪拌星の存在は推測にすぎません。一部の専門家は、モデルの有効性に疑問を呈しています。シミュレーションによると、化学的に均質なモデルでは、LIGO の 2 番目の信号のような小さなブラック ホール連星を説明するのに苦労していることが示唆されています。さらに悪いことに、この理論が GW150914 を実際にどの程度うまく説明しているかについて疑問が生じています。 「これは非常にエレガントなモデルです」と Holz 氏は言います。 「とても説得力があります。問題は、それが完全に機能していないように見えることです。」
すべてスピンアップ
衝突するブラック ホールの質量とともに、LIGO の重力波信号は、ブラック ホールが回転しているかどうかも明らかにします。当初、研究者はスピンの測定にあまり注意を払っていませんでした。その理由の 1 つは、ブラック ホールが互いに周回する軸と同じ軸の周りを回転している場合にのみ重力波がスピンを記録し、他の方向のスピンについては何も述べていなかったためです。しかし、5 月の論文で、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所とエルサレムのヘブライ大学の研究者は、LIGO が測定する種類のスピンは、ブラック ホールがブラック ホールを介して形成された場合に予想される種類のスピンであると主張しました。化学的に均一なチャネル。 (タンゴのダンサーは互いに同じ方向に回転し、周回します。) それでも、GW150914 の 30 太陽質量のブラック ホールは、タンゴのシナリオに打撃を与えているように見えるとしても、スピンが非常に低いことが測定されました。
「スピンは化学的に均一なチャネルの問題ですか?」カリフォルニア工科大学の天体物理学教授であるスタール・フィニーは、ある日の午後、サンタバーバラのグループに刺激を与えました。いくつかの議論の後、科学者たちは答えがイエスであることに同意しました.
しかし、数日後、デ ミンク、マーチャント、カンティエッロは、この理論の可能性のある方法を見つけました。恒星磁場の研究で最近大きな進歩を遂げたカンティエッロは、化学的に均一なチャネル内のタンゴリング星は、本質的に強力な磁場を持つ電荷のボールを回転させており、これらの磁場が星の外層を流れさせる可能性が高いことに気付きました。強い極に。回転するフィギュア スケート選手が腕を伸ばすと減速するのと同じように、これらのポールはブレーキのように機能し、星の回転を徐々に減らします。それ以来、このトリオは、シミュレーションがこの状況を裏付けているかどうかを確認するために取り組んできました。 Quataert はこの考えを「もっともらしいが、おそらく少しイタズラしている」と呼んだ。
プログラムの最終日、LIGO がより高い感度でオンラインに復帰し、より多くの重力波信号が発生するなど、波乱に満ちた秋の舞台を整え、科学者たちは「フィニーの宣言」に署名しました。予測する。 「ブラック ホール連星のすべてのモデルは同等に作成される可能性がありますが (競合他社によって提案された劣悪なモデルを除く)」とフィニーが起草した宣言は始まります。
データが積み重なれば、ブラックホール連星形成の弱者説が勢いを増す可能性がある。例えば、連星は「球状星団」と呼ばれる高密度の星形成領域内での動的相互作用を通じて形成されるという考えだ。 LIGO の最初の実行では、ブラックホールの合体が球状星団モデルの予測よりも一般的であることが示唆されました。しかし、おそらく前回の実験は運が良かっただけで、推定合併率は低下するでしょう.
ミックスに加えて、宇宙学者のグループは最近、GW150914 が原始ブラック ホールの合体から生じた可能性があると理論付けました。原始ブラック ホールは、そもそも星ではなく、時空のエネルギー パッチの崩壊からビッグバンの直後に形成されたものです。興味深いことに、研究者たちは Physical Review Letters の最近の論文で次のように主張しています。 そのような 30 太陽質量の原始ブラック ホールは、宇宙に浸透している不足している「暗黒物質」の一部またはすべてを構成している可能性があります。高速電波バーストと呼ばれる天体物理信号に対してこのアイデアをテストする方法があります。
このような魅力的な可能性について考えるのは、おそらく時期尚早です。天体物理学者は、ビッグバンからのブラック ホールが 138 億年後に検出されるのにちょうどいいタイミングで融合するには、疑わしいほど幸運が必要であると指摘しています。これは、重力波天文学の黎明期に研究者が直面しなければならない新しい論理のもう 1 つの例です。 「私たちは本当に楽しい段階に来ています」と de Mink 氏は言います。 「これらの写真で私たちが考えているのはこれが初めてです。」
この記事は Wired.com に転載されました。
