衝突する一対のブラックホールの螺旋状のダンスは何十億年も続くはずだ。しかし、2016 年以来、私たちは約 10 件のブラックホール衝突を捉えていますが、これは私たちが予想していたよりもはるかに多いものです。衝突プロセスを加速し、予想よりも早くブラックホールが集まるようにするには、何らかのプロセスが働いているに違いありません。
そもそも問題はブラックホールが形成される前に始まります。ブラックホールは本質的には大質量星の死んだ遺物です。これらの始祖星は老化するにつれて、元の大きさの数倍の超巨星に膨張する段階を経ます。この時点で、2 つの星が互いに接近して周回している場合、一方が他方に組み込まれ、そのペアはブラック ホールになる前に衝突します。
これは、大きなブラック ホールのペアは、非常に遠くから存在を開始する必要があることを示唆しています。あまりにも離れているため、衝突は非常にまれです。それでも、このような衝突はかなり頻繁に発生しています。カリフォルニア大学ロサンゼルス校の理論天体物理学者スマダール・ナオズ氏は、「私たち理論家は、新しいパズルがあるととても嬉しいのです」と語った。 「誰もが新しいアイデアに飛びついています。」
では、緊密な超巨星のペアではなかった緊密なブラックホールのペアをどのようにして取得できるのでしょうか?考えられる説明の一つは、2 つの巨大な星が遠く離れたところから始まり、崩壊してブラック ホールになるにつれて近づいていく可能性があるというものです。あるいは、いくつかの星は超巨星に膨らむことなく崩壊するか、孤立したブラックホールが互いに出会い、結合してペアを形成する可能性があります。
ここ数年で、別のアイデアが登場しました。適切な条件下では、3 番目のオブジェクトが、2 つのオブジェクトを近づけるプロセスをトリガーできます。この三体効果は、遠く離れた大質量星が最初にブラックホールに崩壊し、次に衝突するのに十分な距離に近づく方法を提供します。また、大質量星は三重系にあることが多いため、研究者らは、この三体効果を考慮することが重要であると述べています。
このプロセスがどのように機能するかを理解するには、地球と月がお互いの周りを回転していることを想像してください。これら 2 つは、何かが干渉しない限り、共通の重心の周りの安定した軌道をほぼ無限に描きます。
3 番目の天体が同じ平面内で回転している限り (太陽系のほとんどすべての天体がそうであるように)、3 番目の天体は必ずしも地球-月系の安定性に影響を与えるわけではありません。
しかし、一般に、空間内の物体は単一の平らな表面に限定されません。 3 番目の天体が地球と月の系の周りを斜めに回転し、軌道が揃っていないことを想像してください。軌道間の角度が十分に大きい場合、第 3 の物体からの重力の影響が地球と月の軌道に干渉する可能性があります。それらのパスは長い楕円形に伸び、オブジェクトをさらに近づける前にオブジェクトをさらに遠ざけます。それらが最も接近すると、他の影響が作用して軌道がさらに縮小する可能性があります。最終的には、地球と月が衝突し、両方に大惨事が起こる可能性があります。
Lucy Reading-Ikanda/Quanta Magazine
ブラック ホールの世界では、この三体プロセス、つまり「チャネル」にはいくつかの異なる種類があります。 3 番目の天体は、恒星質量のブラック ホール、またはまだ崩壊していない巨大な星である可能性があります。それは、ほとんどの銀河の中心にある超大質量ブラックホールの 1 つである可能性さえあります。この場合、銀河の中心にある 2 つの重い星が崩壊してブラックホールになります。この小さなブラック ホールのペアと超大質量ブラック ホールは三体系を形成します。超大質量ブラック ホールは、より小さなブラック ホールのペアが合体する可能性を高める一般相対性理論の特殊効果を引き起こす可能性さえあると、科学プレプリント サイト arxiv.org に 6 月に投稿された論文で研究者が報告しました。
「このチャンネルの利点は、ブラックホールが合体する過程に不確実性がほとんどないことです」と、このアイデアに関する論文をいくつか発表しているサリー大学の天体物理学者ファビオ・アントニーニ氏は言う。 「それは単なる重力であり、単なる力学です。」
しかし、他の提案されているブラックホール合体の形成経路と同様に、この三重過程には研究者がまだ解明すべき部分がある。たとえば、三重星系の軌道がどれくらいの頻度で、影響を引き起こすのに十分な角度になるかは不明です。
このアイデアの主な利点の 1 つは、テストできることです。三重過程を経て合体したブラック ホールの軌道は、乱されていない連星系から合体したブラック ホールの軌道よりも円形ではない、またはより偏心したものとなるはずです。シカゴ大学の天体物理学者であり、ブラック ホールの衝突から来る重力波を探索する LIGO 共同研究のメンバーであるダニエル ホルツ氏は、科学者は近い将来、ブラック ホールの軌道の離心率を測定できるかもしれないと述べています。
「それらをエキサイティングなものにしているのは、たとえば偏心率の高いシステムが完成する可能性があることです」と、トリプルシステムプロセスについては研究していないホルツ氏は言う。 「そして、それが測定できるものであれば、それは何か派手なことが起こっていることを示す決定的な証拠となるでしょう。」
ブラックホールの回転によって、科学者はブラックホールの合体が三重系プロセスによって起こったかどうかも分かるかもしれない。もしブラックホール連星系が他の天体の影響を受けずに2つの恒星の進化によって形成されたとしたら、それらは多かれ少なかれ同じ方向に回転し、公転しているはずだ――2人のアイススケート選手が互いの周りを時計回りにスケートしながら時計回りに回転するように。しかし、コーネル大学のドン・ライ氏やビン・リュー氏などの天体物理学者らの研究によると、三重系の第3天体などの他の天体からの干渉により、ブラックホールの軌道が傾き、その軌道軸と回転軸が互いに角度をなす可能性があるという。現在のテクノロジーではその効果を直接測定することは困難ですが、研究者たちは、これらの回転の位置合わせを推測するための賢い新しい方法を見つけたいと考えています。
そのため、ブラックホールがどのようにして合体に至るまで接近するのかを正確に知るにはまだ時期尚早だが、研究者らは重力波検出がなぜそれほど重要なのかを示す例としてこの問題を取り上げている。オーストラリアのモナシュ大学の天体物理学者イリヤ・マンデル氏は、「重力波観測だけを目的としては望まない」と語る。 「これらをプローブとして使用して、他の方法では理解するのが難しく、直接測定するのが難しいことを研究したいと考えています。」
