再び、ブラック ホールの遠方での衝突から発生する重力波の突風が、先進レーザー干渉計重力波天文台 (Advanced LIGO) の機器をくすぐり、決定的な重力波検出の数を最大 3 つにしました。 1 月に検出され、本日 Physical Review Letters で報告された新しいシグナル 、ブラック ホールが衝突する仕組みの謎を深めます。
Advanced LIGO が 2015 年の秋にスイッチを入れ、ブラックホールの合体からの重力波をほぼ即座に検出する前は、ブラック ホールの合体、中性子星の合体、ブラック ホールと中性子星の合体、または上記のいずれも見られないかどうかは誰にもわかりませんでした。 (1 世紀前にアルバート アインシュタインが発見したように、時空の構造に波紋、つまり重力波を生成するには、密度が高く、密集した軌道を周回する物体のペアが必要です。) しかし、これまでに LIGO によって発見された 3 つの信号はすべて、黒の結合から来ています。これらの穴は、これらの超高密度で目に見えない物体のペアが宇宙に豊富に存在していることを示唆しています.
それ以来、天文学者たちは、ブラック ホール (ほとんどの場合、崩壊した星の残骸である) が、星の寿命の間に融合するほど十分に接近することなく、どのようにして互いに非常に接近することができるのかを理解するために非常に苦労してきました。これは、専門家に星の多くの側面について新たに考えさせるパズルです。
彼らは今、さらに真剣に考えなければなりません。
最初の 2 つの検出に基づく、宇宙におけるブラック ホールの合体の量に関する LIGO チームの推定は、星がブラック ホールとしてどのように衝突するかについて、2 つの競合するシナリオのうちの 1 つを支持しました。両方のシナリオには、他の方法では空っぽの宇宙空間で互いに近くに形成され、重力で崩壊してブラックホールになり、衝突する大質量星のペアが含まれます。これらの方法は詳細が異なりますが、どちらも理論的には、高度な LIGO の信号を説明するのに十分なブラック ホールの結合を生成することができます。科学者たちは、複数のシナリオが微調整されたバランスで同数のイベントを生成するのは奇妙であるため、1 つのシナリオ が宇宙で支配的であり、観測されたほとんどすべてのイベントを説明している可能性が高いと考えています。
一方、合体率が高いことは、密集した星団内でブラックホールが遠く離れて形成される「動的形成」と呼ばれる第3のシナリオを不利にしました。この理論によれば、時間の経過とともに、ブラック ホールはクラスターの中心に沈み込み、複雑な方法で互いの軌道を乱し、時には衝突するのに十分なほどタイトな軌道に入ります。星団と動的衝突の相対的な希少性を考慮すると、このシナリオに関連する予想率は、高度な LIGO のデータを説明するには低すぎるように思われました。
そこで、新しい重力波信号が登場します。これは、約 30 億光年離れた太陽の質量の 31 倍と 19 倍の重さのブラック ホールが合体したときに発生しました。また、この信号は、ブラック ホールの少なくとも 1 つが、ペアの共通の回転軸と一致しない方向に回転していた可能性があることも示しています。緊密な星のペアから形成され、進化したブラック ホールは、共通エンベロープおよび化学的に均一なシナリオのように、それらの共通軸と同じ方向にスピンするため (もしあったとしても)、ずれているスピンはこれらのシナリオを不利にし、ブラック ホールのスピン間の接続を必要としない、星団内の動的形成を支持します。
スピンの測定は難しく、不確実性もあります。ブラック ホールがまったく回転していないことは、誤差の範囲内です。シカゴ大学の天体物理学者であり、共通エンベロープ シナリオに取り組んできた LIGO メンバーの Daniel Holz 氏は、次のように述べています。 「ミスアラインメントの高いスピンに大きな支持があることが判明した場合、私たちは実際に難問に直面しています」と彼は言いました。 「クラスターモデルが好まれますが、私たちが見ているレートを生み出すのは簡単ではありません.」
LIGO のメンバーであり、シラキュース大学の物理学教授である Duncan Brown 氏は、Quanta に次のように語っています。 複数のシナリオがブラックホールの合併を生み出した後でも可能かもしれません。しかし、彼はさらなる統計を待っています。 「LIGO の感度が向上するにつれて (設計感度からまだ 3 倍離れています)、より多くの信号を確認できるようになると、ブラック ホール集団のスピンをよりよく理解できるようになります。 [新しい信号] には興味深い何かのヒントが含まれていますが、今のところ、電話をかける前に将来の検出を楽しみにしています。」
