衝突する2つのブラックホールの想像図。Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
天文学者は、重力波を使って、これまでで最も強力で、最も遠く、最も不可解なブラックホール同士の衝突を検出しました。 宇宙が現在の年齢の半分だったときに融合した 2 つの巨大なブラックホールのうち、少なくとも 1 つ (重さは太陽の 85 倍) は、このようなイベントに関与するには大きすぎると考えられていた質量を有しています。 そして、研究者たちは、この合体によって、150太陽質量近くのブラックホールが生成されたと推定しており、これまで決定的なブラックホールが目撃されていなかった範囲に、このブラックホールを位置づけています。 特に、「中間質量」ブラックホール、すなわち、典型的な星よりもはるかに重いが、銀河の中心に存在する超巨大ブラックホールほど大きくない物体が存在することが確認されたと、彼は述べています。
9月2日に発表された2つの論文に記載されているこの事象は、2019年5月21日に、米国のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の双子の検出器とイタリアのピサ近くの小型観測所Virgoで検出されました。 その検出日にちなんでGW190521と名付けられた。
禁断の質量
2015年以来、LIGOとVirgoは重力波を感知することによって宇宙への新しい洞察を提供してきた。 時空の構造におけるこれらの波紋は、通常の望遠鏡では見ることができない、ブラックホールの合体などの事象を明らかにすることができます。
重力波のピッチの変化などの特性から、天体物理学者は、それらが互いに渦巻きながら入ってきたときに、それを生み出した天体のサイズと他の特徴を推定することができます。 このことは、ブラックホール研究に革命をもたらし、質量が太陽の数倍から50倍程度の天体が何十個もあることを直接示す証拠となりました
これらの質量は、非常に大きな星が燃えるための燃料がなくなり、自らの重さで崩壊するという「従来の」方法でできたブラックホールと一致します。 しかし、従来の理論では、恒星の崩壊によって、約65～120太陽質量のブラックホールは生まれないはずだとされています。 なぜなら、ある一定の大きさの星は、その寿命が尽きる頃に中心部が非常に高温になり、光子を粒子と反粒子のペアに変換し始めるからだ。この現象はペア不安定性と呼ばれる。 LIGOとVirgoの検出器は、渦巻くブラックホールによって生じた最後の4つの波紋だけを感知し、その周波数は1/10秒の間に30ヘルツから80ヘルツに上昇したのです。 比較的小さなブラックホールは、より高い周波数まで「チャープ」し続けますが、非常に大きなブラックホールはより早く合体し、検出器が感度を持つ周波数範囲の下端にかろうじて入ります
この場合、2つの天体の重さは約85および66太陽質量と推定されました。 マサチューセッツ州エバンストンのノースウェスタン大学の LIGO 天体物理学者クリストファー・ベリー氏は、「これは、ペア不安定質量ギャップがあるべき範囲にかなりきちんと入っています」と言います。
マサチューセッツ州ケンブリッジのハーバード大学の天体物理学者セルマ・デ・ミンク氏は、ペア不安定の切り口をさらに低く、おそらく45太陽質量とし、2つの天体のうち軽い方をもしっかりと禁止領域に押し込むだろうと考えています。 「私にとっては、どちらのブラックホールも不快なほど巨大です」と、彼女は言います。
Unconventional black holes
LIGO の研究者は、彼らの観測を説明するために、ブラックホールが太古の昔から存在していたという可能性など、さまざまな可能性を検討しました。 研究者たちは何十年もの間、ビッグバンの直後に、そのような「原始的な」ブラックホールが幅広い大きさで自然に形成された可能性を推測してきました
研究チームが考えた主なシナリオは、ブラックホール自体が以前のブラックホール合体の結果、非常に大きくなったというものです。 星が崩壊してできたブラックホールは、高密度の星団の中にたくさんあるはずで、原理的には合体を繰り返すことができる。 しかし、このシナリオにも問題がある。というのも、最初の合体の後、ブラックホールは通常、重力波の衝撃を受けて星団から放出されるはずだからだ。 デ・ミンク氏によれば、ブラックホールが銀河の混雑した中心部に存在する場合、連続的な合体の可能性はより高くなるとのことです。
この合体がどの銀河で起こったかはわかっていません。 しかし、ほぼ同じ空域で、GW1905213の1ヶ月後にクエーサー（超巨大ブラックホールによって非常に明るく輝く銀河の中心）を発見した研究者がいます。 このフレアは、クエーサーの高温ガスがブラックホールの反動で発生させた衝撃波である可能性がありますが、多くの天文学者はこの2つの現象が関連していることを受け入れるのに慎重です。