最近まで、ブラック ホール (非常に密度が高く、光でさえその重力から逃れることができない天球体) は、サイズが小さいか XXL のサイズしかないように思われていました。天体物理学者は、太陽の質量の最大約 50 倍の小さな「恒星」ブラック ホールの存在と、銀河の中心に位置する数百万または数十億倍の巨大なブラック ホールの存在を推測しました。
イェール大学の天体物理学者である Priyamvada Natarajan は、次のように述べています。
その後、2019 年 5 月 21 日、米国に本拠を置くレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) とそのヨーロッパのカウンターパートである Virgo が、深部で合体する一対のブラック ホールからの震えを捉えたときに、中型のブラック ホールが初めて明確に検出されました。スペースの。彼らの分析によると、ペアの重さは 66 太陽質量と 85 太陽質量でした。
今年の 9 月に調査結果が公式になって以来、議論が展開されています。問題は、中間サイズのブラックホールがどのように発生するかです。小さなブラック ホールは、ガスやちりをがぶ飲みすることによって中程度の重量に成長する可能性があります。あるいは、それらは互いに消費することによって膨張し、連続する合併ごとに拡大する可能性があります.フロリダ大学の物理学者である Imre Bartos は、「これらのプロセスのいずれかが関連しているのか、それとも両方が関連しているのかは不明です。中間サイズのブラック ホールの発生は、他の多くの天体物理学のプロットラインと交差するため、重要です。
確かなことは、太陽質量が 66 と 85 のブラック ホールが何らかの形で成長したに違いないということです。なぜなら、それらは星の重力崩壊からそのサイズで形成されることはなかったからです。
大きな星の寿命の終わり近くに、核内の水素がどんどん重い元素に融合します。しかし、一旦それらが鉄に達すると、核融合から出るエネルギーは入るエネルギーよりも少なくなり、核融合は停止します。星の重い外層を支えることができず、高密度のコアが重力で崩壊し、壮大な超新星爆発を引き起こし、超コンパクトで重い残骸であるブラック ホールを残します。
少なくとも、特定のサイズまでの星には当てはまります。巨大な星の中心部が太陽の質量の 65 ～ 135 倍である場合、摂氏約 3 億度という驚異的な温度に達し、光の粒子が自然に電子と陽電子のペアに変換されます。放射圧がなくなると、かさばる外層が優勢になり、典型的な超新星よりもさらに猛烈に内側に落ちます。コア全体が爆弾のように爆発し、星を完全に焼却し、その後に何も残しません。
太陽質量が約 50 から 65 の間の核は、電子-陽電子形成が起こる範囲を下回るまで、一連の部分爆発を起こします。その後、重力で崩壊してブラック ホールになります。これは、理論的には、太陽質量が 50 から 135 のブラック ホールは恒星によって作成できないことを意味します。
しかし、最近の発見の前でさえ、多くの天体物理学者は、その禁止された範囲にブラックホールが存在するはずだと考えていました.これは、恒星のブラック ホールが、中間段階を通過して銀河を固定する超大質量ブラック ホールに成長する可能性があるという仮説を立てたためです。
中間質量ブラック ホールの成長モデルに長い間取り組んできたナタラジャン氏は、9 月 19 日にオンラインで投稿された論文に彼女の最新のアイデアをまとめました。彼女は、小さなブラック ホールが核星団 (銀河の中心近くで見つかった星の密な集まり) で生まれるというシナリオを支持しています。 .これらの初期のピッピッと鳴るブラック ホールは、クラスターを一掃し、ガスや塵の上で脂肪を成長させ、1 つの場所に落ち着いて重量の増加が止まるまで続きます。クラスターに含まれる物質の量とブラック ホールの移動時間に応じて、LIGO/Virgo によって検出された両方のブラック ホールを潜在的に含む、広範囲の最終質量を持つ中間エンティティが発生する可能性があります。
しかし、ブラック ホールがガスや塵を蓄積するのではなく、互いに食べ合うことによって成長する「階層的合体」モデルに取り組んでいる Bartos と他の研究者は、LIGO/Virgo データの 1 つの主要な裏付けとなる詳細を指摘しています。
ブラック ホールは、0 と 1 で指定された極端な範囲の角運動量、つまり「スピン」を持つことができます。2 つの同じようなサイズのブラック ホールが結合すると、結果として生じるブラック ホールのスピンは約 0.7 になる可能性が最も高くなります。たとえば、LIGO/Virgo が観測した合体で生成された最後のブラック ホールは、0.72 のスピンを持っていました。しかし、合体に関与した 2 つのブラック ホールのスピンは 0.69 と 0.73 に固定されており、以前の合体でそれぞれが形成された可能性があることを示唆しています。
「このイベントは、ブラック ホールが繰り返し合体するという考えと一致しているようです」と、ジョンズ ホプキンス大学の天体物理学者で、階層的な合体を研究している Emanuele Berti 氏は述べています。
一方、Berti は、ブラック ホールに降着するガスとダストも、それらのスピンに影響を与えるはずだと指摘しています。ブラック ホールに落下する物質は、理論的には中心点に向かって排出されるときに回転する円盤を形成し、この円盤の回転が穴に伝達されます。このプロセスの詳細はまだ完全には解明されていませんが、原理的には物質の落下が観察されたスピンの原因である可能性があります。 「正直なところ、これが第 2 世代の合併であると結論付けることはできません」と Berti 氏は述べています。
複数の合体説を否定するもう 1 つの可能性があります。異なる質量を持つ 2 つのブラック ホールが互いの軌道を周回する場合、すべての方向に波を対称的に放射するのではなく、回転するスプリンクラーが水を噴霧するように重力波を噴霧すると、Berti 氏は説明しました。 「その後、合併の瞬間に水を止めます」とベルティは言いました。 「重力波は一方向に進み、[結果として生じるブラック ホール] は別の方向に進みます。」ブラック ホールは最終的に時速数千万キロメートルの速度で移動する可能性があり、その環境が何であれ急速に逃げ出す可能性があります。別の合体に十分な速度で減速することは困難です。
ナタラジャンの生誕地である核星団で形成されるブラック ホールは、重力キックから飛び散る可能性が低くなります。これは、そのようなクラスターが超大質量ブラック ホールの近くで発生するためです。その巨大な影響により、高速のオブジェクトが抑制され、ブラック ホールがパートナーに出会う可能性があります。
1 つの合併イベントでは議論が決着しません。
フロリダ大学の理論天体物理学者であるローラ・ブレチャ氏は、「今のところ、さまざまな可能性のある形成経路がたくさんあると思います」と述べています。 「今から 6 か月後でも、新しいモデルや新しい LIGO 検出があれば、別の話になるかもしれません。」
現在進行中の COVID-19 パンデミックのため、重力波天文台は閉鎖されていますが、今後数年間のアップグレードにより、その検出率は 1 週間に約 1 回から 1 時間に 1 回に増加するはずです。
「これらのイベントは爆発的に増加するでしょう」とバルトスは言いました。
その間、現在のデータの収穫は、天文学者に多くのことを噛み締め続けるでしょう. 10 月下旬、外部の天文学者による LIGO/Virgo のデータの再分析により、問題の合体には、太陽質量の 66 倍と 85 倍ではなく、太陽質量の 16 倍と 166 倍の、非常に異なる重量の 2 つのブラック ホールが関与している可能性があることが示唆されました。もしそうなら、質量が禁制範囲をまたいでいるので、両方のブラックホールが星の崩壊から生じた可能性があります。彼らはまったく成長する必要はありませんでした。ただし、より重いパートナーは異常に巨大な星から発生したため、そのような可能性にはまだ説明が必要です.すべては、研究者が以前は見えなかった領域を覗き始めたばかりであることを示しています.
この記事はスペイン語で Investigacionyciencia.es に、イタリア語で le Scienze に転載されました。
