2015 年 9 月 14 日、広大な重力波検出器のペアが 2 つのブラック ホールの衝突の最後のあえぎを聞いたのとほぼ同時に、別のさらに複雑な観測が行われました。地球の表面から 500 キロメートル以上上空を周回するフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、高エネルギーの光であるガンマ線の通過バーストを記録しました。信号は非常に微弱だったので、衛星を運用している NASA の科学者は最初は気づきませんでした。
「[重力波検出器] LIGO は明るいイベントを観測し、データにはっきりと表れました。また、重力波に非常に近い時間に発生したため、データにわずかなブリップが見られました」と、Valerie Connaughton 氏は述べています。 Fermi チームのメンバーです。
2 月 11 日、フェルミの研究者は科学プレプリント サイト arxiv.org に論文を投稿し、ガンマ線バーストについて説明し、LIGO (レーザー干渉計重力波観測所)。確実とは言い難いこの相関関係は、物理学における固定化された仮定を覆すだろう。天体物理学者は、ブラック ホールは周囲の物質をすべて飲み込む傾向があるため、真空中に存在すると長い間信じてきました。物質が存在しないということは、合体する 2 つのブラック ホールが閃光を生成することは不可能であることを意味します。
プリンストン大学の天体物理学者である Adam Burrows は、次のように述べています。 「あまりにもクリーンなシステムです。」
しかし、フェルミ衛星によって検出されたガンマ線バーストは、おそらく一対のブラック ホールの周囲がそれほど空ではないことを示唆しています。フェルミのチームが論文を発表して以来、多くの天体物理学者が、ガンマ線バーストを生成するのに十分な高濃度でブラック ホールの周囲に物質がどのように存在するかについて、理論的な説明を急いで提案しました。これらの理論には、天体物理学的な想像力の飛行が含まれており、歴史的な出来事をきっかけにまとめられ、すべてのアカウントでそこにあるはずのない光の観測を説明しています.
宇宙の偶然？
ガンマ線は電磁スペクトルの一番端に位置します。すべての種類の光の中で、波長が最も短く、周波数が最も高く、エネルギーが最大です。たとえば、紫外線の数百万倍のエネルギーです。
これほど多くのエネルギーを生み出すには極端な条件が必要であり、既知の天体物理学的事象でそうなる可能性があるのは 2 つだけです。 1つは、大質量星がブラックホールに崩壊することです。恒星のコアは、それ自体に落ちると、周囲の物質のエンベロープを切り離し、その物質をほぼ光速で宇宙に推進する激しいエネルギーのジェットを形成します。これらはいわゆる「ロング ガンマ線バースト」であり、すべてのガンマ線バーストの約 80% を占め、通常は約 20 秒続きます。
ガンマ線バーストを生成する 2 つ目のメカニズムは、中性子星のペア、または中性子星とブラック ホールなど、2 つの非常にコンパクトな天体の合体です。星とブラック ホールの場合、星からの物質がブラック ホールの周りに降着円盤と呼ばれる物質の輪を形成します。降着円盤からの物質がブラック ホールに落ちると、合体の軸に沿ってエネルギーのジェットが形成されます。その結果、「短いガンマ線バースト」が発生し、通常は 2 秒未満持続します。
ガンマ線バーストは宇宙の偉大な火工品であり、想像を絶する規模の爆発です。それらはまた、天体物理学者に隠された宇宙の出来事を見る方法を提供します。
「短いガンマ線バーストにより、暗い天体を見ることができます」とコノートンは言いました。 「[これらの物体が] 融合すると、エネルギー粒子の暴力的な噴流が生成され、そうでなければ非常に暗く見える現象の中に暴力が見られます。」
9 月 14 日に、フェルミはブリップとして記録される短い一時的なイベントを検出しました。薄暗かったため、チームは最初は気づきませんでした。その後、LIGO が重力波を検出したことを知ったとき、彼らはデータをさかのぼって、フェルミが同時に何か興味深いものを見たかどうかを確認しました。マサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者であり、LIGO チームのメンバーである Lindy Blackburn によって開発されたアルゴリズムを使用して、Fermi の研究者はノイズの多いデータからかすかなブリップを探しました。その時、重力波から 0.4 秒後に到達し、1 秒間持続したガンマ線のバーストが見られました。それは典型的な短いガンマ線バーストの特徴を持っており、その起源には、太陽が同じ時間にわたって生成するエネルギー量の 10,000 兆倍の量が含まれていました。
ガンマ線バーストが検出エラーではなく本物であったかどうか、そして本物である場合、それが LIGO イベントに関連しているかどうかは、Fermi チームが論文を発表してから数週間で激しい議論の的となっています.
チームは、ガンマ線バーストが空の 2,000 平方度の領域から発生したことを大まかに確立しました。 600 度の LIGO 局在化と組み合わせると、到着方向は 200 平方度の空のパッチに縮小され、ガンマ線バーストと重力波が同じ場所で発生したという結論が支持されます。 2 つのイベントのタイミングもこれを示唆しています。フェルミは、約 10,000 秒ごと (または約 2 時間 47 分ごと) にこの大きさのブリップを検出するため、ガンマ線バーストと重力波のほぼ同時の観測が偶然であった可能性は低いですが、不可能ではありません。
「可能性は低いですが、これが偶然に起こったことは不可能ではありません」とコノートンは言いました. 「だからこそ、これが LIGO イベントに対応するものであると主張することに慎重です。これは「スリーシグマ」の結果であり、通常の状況では銀行に持ち込むものではありません。」実際、フェルミがバーストに気付いたのと同時に、別のガンマ線検出器である欧州宇宙機関のインテグラル衛星は何も観測しませんでした。 「私たちの見解では、フェルミが検出したイベントが重力波イベントに関連している可能性はほとんどありません」と、積分チームのメンバーであるカルロ・フェリグノは述べています。
より基本的には、2 つのブラック ホールの合体が光を生成することは単純に想定されていないため、フェルミ チームは 2 つのイベントを関連付けることに慎重です。 「問題である物理学を除いて、すべてが有利です」と Connaughton は言いました。
物理学は問題を提起します — または少なくともなぞなぞ.
Christian Reisswig
ビデオ: このコンピュータ シミュレーションでは、急速に回転する超大質量星が崩壊して 2 つのブラック ホールが形成され、最終的に 1 つになります。同様のシナリオを使用して、ブラック ホールの衝突によってガンマ線バーストがどのように発生するかを説明しています。
キングス・カレッジ・ロンドンの素粒子物理学者ジョン・エリスは、「ガンマ線バーストを発生させるには、合体する天体の周りに降着円盤のような通常の物質が必要です。 「中性子星の合体について話しているのであれば、それが問題になることは明らかだと思います。ブラック ホールの周りではそれほど明白ではありません。」
フェルミ観測の精度は、時間の経過とともに解決されます。 LIGOはおそらくより多くの重力波を検出するでしょう。その際、フェルミ チームは対応するガンマ線バーストを探します。彼らがそれらを見つけた場合、彼らは何かに夢中になっていることを知るでしょう.
明るいブラック ホールの構築
その間、天体物理学者は、ガンマ線バーストを生成するのに十分な物質がブラック ホールのペアの周りにどのように存在するのかを説明しようとしてきました。ネバダ大学ラスベガス校の天体物理学者 Bing Zhang は、結合するブラック ホールの 1 つまたは両方に電荷が含まれている場合、その電荷はガンマ線バーストを生成する磁場を十分に生成できると推測しています。しかし、一般的なコンセンサスによれば、天体物理学のブラック ホールは測定可能な電荷を持たないはずです。
別の提案は、ストーニーブルック大学の天体物理学者である Rosalba Perna からのものです。 2 月 16 日に arxiv.org に投稿された論文で、彼女と 2 人の同僚は、連星系で一緒にロックされた 2 つの大質量星が両方とも消滅し、2 つのブラック ホールが形成される可能性があると推測しています。システム内の 2 番目の大質量星が死ぬと、そのエンベロープからの破片がコアに向かって落下し、降着円盤に落ち着く可能性があります。その後、合体が始まると、付随するブラック ホールがこの円盤を通ってもう一方のブラック ホールに入り、ガンマ線バーストを発生させます。
ハーバード大学の天文学部長であるアヴィ・ローブは、3番目の可能性を提案しました。 2 月 15 日に arxiv.org に投稿され、その後 The Astrophysical Journal Letters での出版が承認された論文で 、ローブは、太陽の 100 倍の大きさの星の内部で、一対のブラック ホールが同時に発生する可能性があることを説明しています。彼が思い描いているように、この巨大な星はもともと 2 つの小さな星が結合してできたものです。その合体の条件により、大質量星は非常に急速に回転します。最終的に崩壊し始めると、スピンからの遠心力により、コアがダンベル構成の 2 つの塊に分割され、各塊がブラック ホールを形成します。この 2 つのブラック ホールは、巨大な星の残骸の内部で重力により絡み合っています。 /P>
「それは、妊娠中の母親のお腹にいる双子のペアのようなものです。2 人が一緒になると、1 つのブラック ホールができます」と Loeb 氏は言います。
ローブのシナリオでは、ブラック ホールは最終的に合体します。合体は巨大な星の内部で行われるため、ガンマ線バーストの燃料となる物質が周囲にたくさんあります。実際、ローブは、太陽の質量全体が落下すると想像しています合併時に新たに作成されたブラック ホールに 1 秒あたりで入ります。
ローブの論文は、観測を説明しようとする試みの始まりにすぎません。この観測が持ちこたえれば、天体物理学者に新しい考え方が必要になるでしょう。彼の提案の中心にあるような急速に回転する超大質量星は、これまでに見られたことがありません。さらに、星が急速に回転する内核を持つシナリオでは、コアは通常 2 つのダンベルに分割されず、らせん状の腕を持つ平らな円盤を作成します。今後 1 年間で、Loeb らはコンピューター シミュレーションを実行して、彼の論文で説明されている条件を生成できるかどうかを判断します。ローブの同僚の何人かは、彼のシナリオが機能することに懐疑的です。
「個人的には、これは少し無理があると思います」と Burrows 氏は述べています。 「偽の検出である可能性があることを説明するために、ここに連結された歯の妖精がいくつかあります。」
ローブの論文が最終的に正しいかどうかに関係なく、天体物理学の分野を正しい方向に向けていると考える人もいます.
テキサス大学オースティン校の天体物理学者である Volker Bromm は、次のように述べています。 「アヴィの論文は、何をする必要があるかに人々の注意を向けているので、優れていると思います。間違いなくもっともらしいです。」
やがて、フェルミ検出の信憑性が明らかになるでしょう。それが正確であることが証明されれば、2 つのブラック ホールがどのようにガンマ線バーストを生成するかを説明する理論が最終的に発展するでしょう。それらは、Zhang、Perna、および Loeb によって提案されたアイデアに似ている場合もあれば、まったく異なるものになる場合もあります。明らかなことは、LIGO 後、なすべき新しい科学がたくさんあるということです。重力波後の世界の意味を解き明かそうとする動きは、すでに進行中です。
