レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) と協力している物理学者は、巨大な星が崩壊したときに残される超強力な重力場であるブラック ホールの 3 番目の合体を発見しました。今回、合体の合図となった時空の微妙な揺れは、ブラックホールの重要な特徴、つまりスピンが狂っていることも明らかにしました。これは、ブラック ホールが最初にどのようにペアになったかを明らかにするのに役立つ可能性があります。
「これらのブラック ホールは、互いに周回する 2 つの整列した竜巻ではなく、傾いた 2 つの竜巻のようなものです」と、アトランタにあるジョージア工科大学の物理学者であり、LIGO で研究している 1000 人の科学者の副スポークスパーソンである Laura Cadonati は言います。 「それは形成シナリオに影響を与える可能性があります。」
2015 年 9 月、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードにある巨大な LIGO 検出器が、太陽の 29 倍と 36 倍の重さの 2 つのブラック ホールからの重力波を感知しました。 3か月後、検出器はより軽いブラックホールの合体を発見しました。このような恒星質量のブラック ホールがどのように形成されるかは謎ではありません。それぞれが巨大な星として始まります。最終的には水素燃料が不足し、巨大化します。数億年後、コアの核融合は重力に対抗できなくなり、崩壊してブラック ホールになり、通常は超新星爆発が発生します。
しかし、理論家たちは、そのようなブラック ホールがどのようにしてペアを形成できるかを説明するのに苦労しています。アムステルダム大学の天体物理学者であるセルマ・デ・ミンクは、「どんな料理を作るにしても、それは2つのことを満たさなければなりません。宇宙の年齢内で合体するには、「2 つの巨大なブラック ホールを作る必要があり、それらは十分に近くなければなりません」。互いの軌道を周回しながら崩壊する巨大な星から、一対のブラックホールが生まれる可能性があります。または、ブラックホールが最初に形成され、後でペアになる可能性があります。しかし、どちらのシナリオも思ったよりトリッキーです。
たとえば、巨大な連星は通常、LIGO が観測するブラック ホールよりも明るく、距離が離れすぎて合体できないブラック ホールを生成します。したがって、ある有力な理論によれば、星は進化するにつれて物質を交換するのに十分なほど接近して開始する必要があります。 1 つの星が崩壊すると、結果として生じるブラック ホールともう 1 つの星は、文字通り星の外層であるガスの「共通のエンベロープ」を通って渦を巻きます。摩擦によってエネルギーが奪われ、互いに引き寄せられます。 2 番目の星の崩壊により、タイトな軌道に 2 つのブラック ホールが残されます。ただし、一部の研究者は、この一般的なエンベロープ シナリオには、自分たちが望む以上の「微調整」が必要であると述べています。
あるいは、ブラックホールが最初に形成され、後で接続される可能性があります。しかし、さまよっている 2 つのブラック ホールが宇宙で道を横切るとき、それらはお互いに振り回され、別々の道を進みます。マサチューセッツ工科大学 (MIT) の天体物理学者である Carl Rodriguez は、ペアを形成するには、少なくとも 1 つの他の恒星オブジェクトがいわゆる動的形成チャネルのプロセスに参加する必要があると述べています。
たとえば、星とブラック ホールで構成される 2 つの連星が出会う可能性があります。複雑なやり取りの中で、ブラック ホールはペアになり、星を投げ出すことができました。その後、他の星との遭遇により、より多くのエネルギーと角運動量が吸い上げられ、ブラック ホールが引き寄せられる可能性があります。モデリングは、そのような遭遇が密集した星団で発生する可能性があることを示しています。しかし、一部の研究者は、クラスターが LIGO で見られるほど多くのブラック ホールのペアを生成できるかどうか疑問に思っています。
ペアになっている 2 つのブラック ホールがスピンの中でどのように見えるか。ブラックホールが対になった星として始まった場合、それらは軌道軸と同じ方向に回転するはずです.ペアになる前にブラックホールが形成された場合、それらは任意の方向に回転する可能性があります. 「ブラック ホールが軌道と同じ方向に回転していない場合、それはおそらく動的形成チャネルのかなり良い指標になるでしょう」と Rodriguez 氏は言います。
1 月 4 日、LIGO は、地球から 30 億光年離れた場所で、31 と 19 の太陽質量のブラック ホールが一緒に渦巻いているのを発見しました。 LIGO チームは、検出器によって検出された 2 番目の長さのリップルを、以前に計算された「波形」と比較することにより、ブラック ホールのスピンが軌道軸にどれだけ近いかを判断しました。スピンがランダムに並んだブラックホールは、比較的早く合体する、とカドナーティは説明する。しかし、スピンが軌道軸と一直線に並んでいる場合、余分な角運動量によって合体が遅くなり、さらにいくつかの軌道に引き伸ばされます。 (以前のイベントの同様の分析はあいまいでした。)
LIGO の研究者は、ブラック ホールのスピンが整列していないこと、および 80% の確率で少なくとも 1 つのブラック ホールが軌道運動とは逆方向に回転していることを発見しました。この場合、少なくとも、動的ペアリング シナリオの可能性が高くなります。
カドナーティ氏によると、進行するイベントは 1 つだけなので、全体的にどのシナリオがより一般的であるかを判断するのは時期尚早です。 「モデルを制約するために、これらのことをもっと見る必要があります」と彼女は言います.それらを十分に見るには時間がかかる場合があります。 LIGO は現在の実行を 8 月に終了すると、MIT の物理学者で LIGO 科学コラボレーションのスポークスパーソンである David Shoemaker は言います。その後、研究者は 12 ～ 18 か月かけてマシンの感度を上げようとしますが、2015 ～ 16 年の実行からわずかにしか改善されていません。
