銀河の中心にある巨大な穴は合体できないはずですが、実際には合体します。科学者たちは、異常な形態の暗黒物質が解決策となる可能性があると示唆しています。
はじめに
宇宙の歴史の過程で、銀河は合体してさらに大きな構造を形成してきました。銀河が合体するとき、その中心にある超大質量ブラック ホールも最終的には合体し、さらに巨大なブラック ホールを形成する必要があります。
しかし、何十年もの間、天体物理学者を悩ませてきた疑問があった。「超大質量ブラックホールはどのようにして螺旋を描き、合体するほど接近できるのか?」計算では、収束する穴がいわゆる最終パーセク（約 1 パーセク、つまり 3.26 光年の距離）に到達すると、その進行は停止します。それらは基本的に、無限にお互いを周回する必要があります。
ヴァンダービルト大学の天体物理学者スティーブン・テイラー氏は、「渦巻き内時間は宇宙の年齢と同じくらいになる可能性があると考えられていた」と語る。 「人々は、ブラックホールの合体が起こらないのではないかと心配していました。」
それらが実際に合併しているという証拠が得られています。昨年、パルサータイミングアレイとして知られる脈動する星の微妙な動きの観測により、宇宙の重力波のバックグラウンドノイズ、つまり時空構造のさざ波が明らかになりました。これらの重力波は、互いにパーセク以内で密接に軌道を周回している、合体間近の超大質量ブラックホールから発生している可能性が最も高いです。 「これは、ブラックホール連星が最終パーセク問題を克服できることを示す最初の証拠でした」とフロリダ大学の天体物理学者、ローラ ブレカ氏は述べています。
では、彼らはどうやってそれを行うのでしょうか?
天体物理学者は新たな提案をしています。暗黒物質が 2 つのブラック ホールから角運動量を奪い、それらを近づける可能性があるということです。
ダークマターとは、宇宙の未発見の物質の 85% を指す用語です。銀河や宇宙の構造に対する重力の影響を見ることはできますが、現時点ではそれが何であるかを解明することはできません。この目に見えない物質の形態を構成する可能性のある最も単純な仮説上の粒子は、ブラックホールの合体を促進するのには役に立たないでしょう。しかしこの夏、カナダの物理学者グループは、自己相互作用する暗黒物質と呼ばれるもっと複雑なものが存在する可能性があると主張した。これらの粒子は超大質量ブラックホールを引きずり、互いの距離が 1 パーセク以内に落ちる可能性があります。この説明が正しければ、「暗黒物質は私たちが思っているほど単純ではないことがわかります」とトロント大学の理論物理学者であり、著者の一人であるゴンサロ・アロンソ・アルバレス氏は述べています。
そして9月には、物理学者の別のグループが、ファジィ暗黒物質と呼ばれることもある別の暗黒物質候補も同様に効果を発揮する可能性があると指摘した。
このパズルに対するより平凡な解決策も、長年にわたって浮上してきました。このような数多くの選択肢 (ありふれたものもあれば、珍しいものもある) の中で、科学者たちは可能性を相互にテストする方法を考案しています。
「現時点では、最終パーセク問題が解決されたことはコミュニティのほとんどがほぼ当然のことと考えています」と、この問題に対するいくつかの解決策を研究してきたウェストバージニア大学の理論天体物理学者ショーン・マクウィリアムズ氏は言う。 「唯一の疑問は、それを解決する最も効率的な方法は何でしょうか？」
二人でタンゴへ
小さなブラックホール（星サイズの物体が非常に密度が高いため、近づきすぎるものは光も含めて重力で捕らえられる）は、銀河全体に点在しています。それらは個々の星の重力崩壊から形成されます。しかし、銀河の中心で見つかった超大質量ブラックホールは、太陽数十億個分もの重さがある可能性があり、より神秘的で影響力があります。彼らはどういうわけか、周囲の銀河の形成と進化を操縦しています。
2 つの銀河が合体すると、星、ガス、暗黒物質との重力相互作用により、2 つの超大質量ブラック ホールがゆっくりと互いに向かって落下します。天体物理学者は、動摩擦と呼ばれるこのプロセスを 1980 年に初めて説明しました。「これは、ブラック ホールが接近する主な方法であると考えられています」とウィスコンシン大学マディソン校の天体物理学者、ダン フーパーは述べています。
メリル・シャーマンがクアンタ・ マガジンに寄稿
しかし、ある時点（ブラックホールの質量に応じて、技術的には数パーセクから数パーセクの範囲）では、動摩擦は「あまり効果的ではなくなることが判明した」とフーパー氏は述べた。ここでは、合体する銀河の中心で、2 つのブラック ホールが物質を食べて飛ばし、隙間を作ります。その結果、星とガスの密度は劇的に低下し、比較的空いた空間にブラックホールが残ります。周囲に速度を低下させるものがなければ、それらはほぼ無限に互いの軌道を周回するはずです。
「地球は太陽の周りを回っていますが、私たちは互いに衝突することはありません」とアロンソ・アルバレス氏は言い、同じことが2つのブラックホールにも当てはまるはずだ。 「軌道上には角運動量の保存があり、このエネルギーを抽出するものが存在しない限り、落下は防止されます。」
アロンソ・アルバレスらが物理的レビューレターで提案したように、自己相互作用する暗黒物質がこの役割を果たす可能性がある。 7月に。このタイプは、いわゆる冷たい暗黒物質とは異なります。これは、重く、遅く、不活性であると考えられる最も単純な種類の仮説上の暗黒物質粒子です。冷たい暗黒物質は重力を介する以外は何とも相互作用しないため、ブラック ホールが最終パーセクに到達するかなり前に、ブラック ホールの重力の影響によって近くから追い出されるはずです。
しかし、自己相互作用する暗黒物質は、粒子間に少なくとも 1 つの力が働く軽量粒子で構成されています。自己相互作用するダークマター粒子は、テーブル上のビリヤードの玉のように互いに散乱するため、それほど簡単には分散せず、代わりにブラックホールの後を引っ張り、速度を低下させるでしょう。 「それはそこに留まり、摩擦を生み出します」とアロンソアルバレスは語った。 「なんか粘度があるんだよね。」この摩擦により 1 億年以内に合併が起こり、最終パーセク問題が解決される可能性があります。
「超軽量」または「ファジー」暗黒物質は、非常に小さな質量の粒子で構成されており、それらが集まって巨大な波を形成します。これらの粒子はまた、銀河の中心に集中し、ブラックホールとの摩擦を経験し、その結果、曖昧な暗黒物質が「角運動量と軌道エネルギーを効率的に持ち去る」ことが可能になるだろうと、韓国の中原大学の宇宙学者であり物理レターズ Bの9月の論文の共著者であるジェウォン・リー氏は述べた。 アイデアを説明します。ブラックホールは、この暗黒物質を分散させるのではなく、鐘のように振動させるでしょう。
オッカムの剃刀
超大質量ブラックホールがどのように合体するかを説明するために、このような珍しい物理学を援用する必要があると誰もが確信しているわけではありません。 「自己相互作用する暗黒物質が必要だとは思いません」とイェール大学の理論天体物理学者プリヤンバダ・ナタラジャンは述べました。
別の可能性としては、星が合体するブラックホールを通り過ぎて、それらをまとめるのに十分な角運動量を取り除く可能性があるということです。おそらく星は、他の星との相互作用を通じて、銀河の他の場所からブラックホールの方向にランダムに飛ばされるのでしょう。ハーバード大学の理論天体物理学者ファビオ・パクッチ氏は、「中心の 2 つの超大質量ブラック ホールに近づくこれらの星が大量にあれば、より多くの角運動量を取り出すことができます」と述べています。
しかし、モデリングでは、最終パーセク問題を解決するのに十分な量の星をブラック ホールに向かって散乱させるのは難しいことがわかっています。
あるいは、各ブラック ホールの周囲にガスの小さな円盤があり、これらの円盤が、ホールによって切り取られた空の領域を囲むより広い円盤から物質を引き込む可能性があります。 「それらの周囲の円盤は、より広い円盤からエネルギーを供給されている」とテイラー氏は述べ、これはつまり、その軌道エネルギーがより広い円盤に漏れる可能性があることを意味する。 「これは非常に効率的なソリューションだと思われます」とナタラジャン氏は言いました。 「ガソリンはたくさんあります。」
1月、Blecha氏らは、システム内の3番目のブラックホールが解決策を提供する可能性があるという考えを調査した。 2 つのブラック ホールが失速した場合、別の銀河が最初の 2 つの銀河と合体し始め、追加のブラック ホールをもたらす可能性があります。 「3 人の強力な相互作用を実現できます」とブレカ氏は言いました。 「それはエネルギーを奪い、合併のスケジュールを大幅に短縮する可能性があります。」シナリオによっては、3 つの穴のうち最も軽いものが排出されますが、他のシナリオでは 3 つすべてが結合します。
地平線上のテスト
ここでの課題は、どの解決策が正しいのか、または複数のプロセスが影響しているのかを判断することです。
アロンソ・アルバレス氏は、今後のパルサータイミングアレイデータから自己相互作用する暗黒物質の信号を探すことで、自分のアイデアをテストしたいと考えている。ブラックホールが最終パーセクよりも近づくと、主に重力波を放出することによって角運動量を放出します。しかし、自己相互作用する暗黒物質が関与しているのであれば、パーセク限界付近の距離でエネルギーの一部が消費されることが分かるはずです。これにより、重力波のエネルギーが低下するだろうとアロンソアルバレス氏は述べた。
カリフォルニア大学リバーサイド校の素粒子物理学者で、自己相互作用する暗黒物質の支持者であるハイボー・ユー氏は、この考えはもっともらしいと述べた。 「これは、重力波物理学から暗黒物質の微視的な特徴を探す手段です」と彼は言いました。 「それはとても魅力的だと思います。」
欧州宇宙機関の LISA (レーザー干渉計宇宙アンテナ) 宇宙船は、2035 年に打ち上げ予定の重力波観測装置で、さらに多くの答えを与えてくれるかもしれません。 LISAは、超大質量ブラックホールの最期の合体によって放出される強力な重力波を拾うことになる。 「LISAを使えば、実際に超大質量ブラックホールの合体が見られるでしょう」とパクッチ氏は語った。その信号の性質により、「減速プロセスを示す特定の特徴」が明らかになり、最終パーセクの問題が解決される可能性があります。
