ブラック ホールの物理学者たちは、LIGO と Virgo の重力波検出器が最近、物理的に不可能と考えられていた質量を持つ、予想外に巨大なブラック ホールの信号を検出したという報告について興奮して議論しています。
「予測はノーです」 カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天体物理学者スタン・ウーズリー氏は電子メールで、この質量範囲にあるブラックホールは数個さえない、と書いている。 「しかし、もちろん、私たちは自然がしばしば方法を見つけ出すことを知っています。」
Quanta から連絡を受けた 7 人の専門家 LIGOとVirgoが4月以降に検出した22回の重力波の嵐のうち、信号の1つは、予期せぬ重さ（太陽100個分と言われている）のブラックホールが関与した衝突によるものだと聞いたと彼らは述べた。 LIGO/Virgo チームのメンバーは、噂の検出を肯定も否定もしませんでした。
[更新:2020 年 9 月 2 日、研究者らは、衝突するブラックホールの質量が太陽の 65 倍と 85 倍であることを確認しました。結果としてできたブラックホールは、 太陽の150 倍の質量でした。 ]
ワルシャワ大学の天体物理学者であるクリス・ベルチンスキー氏は、以前はこれほど大きな標本は見られないと確信していたので、2017年に同僚と賭けをした。 「私たちは賭けに負けそうだと思います」とベルチンスキーは言いました。「そして科学の利益のためにも！」
ベルチンスキー氏の以前の自信は、これほど大きなブラックホールは通常の方法では形成できないという事実から来ています。
ブラックホールは、重力が光さえもすべてを捕らえてしまう高密度でパラドックスに満ちた球体で、燃料を使い果たした星の収縮する核から形成される。しかし 1967 年、エルサレムのヘブライ大学の 3 人の物理学者は、死にかけている星の中心が非常に重い場合、重力で崩壊してブラックホールになることはないことに気づきました。その代わりに、この星は「対不安定超新星」、つまり数秒のうちに完全に消滅して何も残らない爆発を起こすことになる。 「星は完全に宇宙に分散している」と 3 人の物理学者は書いています。
Lucy Reading - Ikanda/Quanta Magazine;出典:LIGO-P1800307-v7 表 III
対不安定性超新星は、核が非常に高温になり、光が自発的に電子と陽電子の対に変換し始めるときに発生します。光の放射圧が星の核を無傷に保っていた。光が物質に変化すると、その結果生じる圧力降下によってコアが急速に収縮し、さらに高温になり、ペアの生成がさらに加速され、暴走効果が引き起こされます。最終的にはコアが非常に高温になり、酸素が発火します。これにより、コアの内破が完全に逆転し、代わりに爆発します。 （現在の推定によると）太陽の約65倍から130倍の質量を持つ核の場合、星は完全に消滅します。太陽質量約 50 から 65 の間の核は脈動し、ペアの不安定性が生じる範囲を下回るまで一連の爆発で質量を放出します。したがって、太陽質量 50 ～ 130 の範囲の質量を持つブラック ホールは存在しないはずです。
「この予測は単純な計算から得られたものです」とウーズリー氏は述べ、この「対不安定性質量ギャップ」に関する 2002 年の研究は決定的であると考えられています。
ブラックホールは質量ギャップの反対側に存在する可能性があり、その重さは太陽質量130個以上に達します。なぜなら、そのような重い恒星の核の暴走爆縮は、たとえ酸素融合によっても止めることができないからです。代わりに、それらは崩壊し続け、ブラックホールを形成します。しかし、星は一生を通じて質量を失うため、最終的に太陽質量130の核となるには、少なくとも太陽300個分の重さの星が生まれる必要があり、そのような巨大な星はまれです。このため、ほとんどの専門家は、LIGOと乙女座によって検出されたブラックホールは、質量ギャップの下端である太陽質量約50で頂点に達するはずだと考えていた。 (銀河の中心を固定する太陽質量 100 万、10 億の超大質量ブラック ホールは、初期宇宙では異なる方法で、かなり神秘的に形成されました。LIGO と乙女座は、超大質量ブラック ホールの衝突を機械的に検出することができません。)
そうは言っても、少数の専門家は、質量ギャップにブラックホールが見られるだろうと大胆に予測しました。したがって、2017 年の賭けとなったのです。
同年2月にアスペン物理学センターで開かれた会議で、シカゴ大学のベルチンスキー氏とダニエル・ホルツ氏は、「ペアの不安定性のため、太陽質量55～130質量の範囲にはブラックホールが存在すべきではない」とし、したがってLIGO/Virgoの最初の100個の信号には何も検出されないであろうと賭けた。ウースリーは後にベルチンスキーとホルツと共同契約を結んだ。
しかし、マサチューセッツ工科大学のカール・ロドリゲスと、インドのムンバイにあるタタ基礎研究所のスーラフ・チャタジーは、後にノースウェスタン大学のフレッド・ラシオも加わり、彼らに賭けて、ブラックホールが実際に質量ギャップで検出されるだろうと賭けました。なぜなら、これらのプラスサイズのブラックホールが形成されるには回り道があるからです。
LIGO とおとめ座の機器を揺るがす衝突ブラックホールのほとんどは、おそらく孤立した星のペア (宇宙では連星系が一般的です) として発生したのに対し、ロドリゲス氏と共同署名者らは、検出された衝突の一部は球状星団などの高密度の恒星環境で発生していると主張しています。ブラックホールは互いの重力の中で揺れ動き、時には池の中の大きな魚が小さな魚を飲み込むように、お互いを捕まえて合体します。
たとえば、球状星団の内部では、太陽質量 50 のブラック ホールが太陽質量 30 のブラック ホールと合体し、その結果として生じる巨大なブラック ホールが再び合体する可能性があります。この第 2 世代の合併は、LIGO/Virgo が検出した可能性のあるものであり、池の大きな魚を幸運にキャッチしたものです。 「これはクラスターでのみ起こり得ることです」とロドリゲス氏は言う。噂が真実であれば、彼、チャタジー、ラシオはベルチンスキー、ホルツ、ウースリーからそれぞれ 100 ドルのワインを受け取ることになります。
しかし、推定上の巨大ブラックホールの起源の物語は他にもあります。おそらくそれは孤立した連星系で始まったのだろう。最初の星がブラックホールに崩壊した後、伴星から物質を剥ぎ取って成長した可能性があります。その後、2 番目の星も同様に崩壊し、最終的には 2 つが衝突して合体し、時空の構造を通って重力波がカスケード送信されます。
LIGO/Virgo チームは、他の望遠鏡がその方向に旋回できるように、あらゆる潜在的な重力波イベントとそれが発生した空の領域を迅速に発表します。しかし、チームは口を閉ざしており、衝突物体の推定サイズなど、4月に始まった現在の観測活動で発生した事象に関する詳細な情報をまだ公表していない。チームは遅くとも2020年の春までにすべてを明らかにする予定だ。特大のブラック ホールが結果の中に含まれている場合、分析により、ホールとその伴星が衝突したときにどれくらいの速さで回転していたのかも明らかになるはずです。この情報は、どちらの起源の物語を支持するか、あるいはどちらでもないかを決定するのに役立ちます。
ロスアラモス国立研究所の天体物理学者で、連星ブラックホールの形成と質量ギャップを研究しているクリス・フライヤー氏は、この噂は「私たちを別の形成メカニズムに導いている」と語った。 「いずれにせよ、それが本当であれば、それはエキサイティングなイベントになるでしょう。」
ウースリーに関しては、例外の可能性はあるものの、依然として質量格差が存在すると確信している。 「ありそうな結果としては、ブラック ホールが数百個あるとき、確かに 50 個あたりで崖が見えることになるでしょう。しかし、自然は真空を嫌うので、そのギャップにはいくつかの出来事が起こります。」
この記事は TheAtlantic.com に転載されました。
