これらのブラックホールは激しく衝突し、時空を揺らした。

約70億光年離れたところで、2つのブラックホールが長い年月をかけて渦を巻いてどんどん接近し、ついには激しい衝撃とともに衝突し、新たなブラックホールを生み出しました。この宇宙の乱れにより、時空が引き伸ばされ、崩壊し、さらには揺れ動き、重力波と呼ばれるさざ波が生まれ、2019年5月21日に地球に到達しました。

国際的な科学者チームは水曜日、米国の2.5マイルの同一の干渉計2基、LIGO（レーザー干渉計重力波観測装置）と、イタリアの約2マイルの検出器、Virgoを使用して、この宇宙の衝突を検出したと発表した。これは最高の成果であり、これまでに観測された中で最大、最遠、そして最もエネルギーの強いブラックホールの合体である。これはまた、ブラックホールの合体によって形成された、太陽の約142倍の質量を持つ中型ブラックホールの初めての確実な目撃でもある。この発見の詳細は水曜日のPhysical Review Journals誌に掲載され、このイベントの意味合いはAstrophysical Journal Letters誌に詳しく掲載された。

GW190521と呼ばれるこの合体信号は、わずか10分の1秒しか続かなかったが、科学者たちは、2015年にLIGOが検出した2つのブラックホールの衝突による低いチャープ音と比較して、それが異常であることにすぐに気づいた。このチャープ音は、アインシュタインの時空に関する言い表せない概念を裏付けるものだった。「これは、人類が観測したビッグバン以来最大の爆発だ」と、研究に参加したカリフォルニア工科大学の天文学者アラン・ワインスタイン氏は言う。この爆発は、宇宙がなぜ今のような姿をしているのかの手がかりになるかもしれない。

コンピューターアルゴリズムが信号を分析し、科学者は最終的に合体の質量と放出されたエネルギーの量を正確に特定することができた。太陽の約66倍と約85倍の質量を持つ2つの原始ブラックホールは、太陽の142倍の質量を持つブラックホールに合体した。残りの8倍の質量は重力波エネルギーに変換されたと考えられる。

これまで、科学者たちは2つの異なるサイズ範囲のブラックホールを検出し、間接的に観測することができた。太陽質量の数倍から数十倍の恒星質量ブラックホールと、太陽質量の数十万倍から数十億倍に及ぶ超大質量ブラックホールである。しかし、GW190521を検出した天文学者たちは、特別な種類のブラックホール、つまり「中間質量」ブラックホールの誕生を目撃した。中間質量ブラックホールの可能性があるものはいくつか発見されているが、その存在を直接証明したのはこれが初めてである。

この奇妙な信号は、2つの同じように奇妙なブラックホールの合体によって生成された。合体した2つのブラックホールのうち重い方の質量は太陽の85倍で、いわゆる「対不安定性質量ギャップ」のちょうど真ん中で検出された初めてのブラックホールだ。最も質量の大きい恒星は、その崩壊と並行して起こる超新星爆発によって消滅するため、崩壊する恒星は太陽の65倍から120倍の質量の範囲でブラックホールを生成することはできない。ワインスタイン氏によると、考えられる説明は、天文学者が階層的合体と呼ぶものかもしれない。これは、より軽い恒星質量のブラックホールがより重いブラックホールと合体し、それがさらに重いブラックホールと合体し、最終的に巨大なブラックホールになるというものだ。

ニューヨーク市立大学大学院の天体物理学者、KE サービク・フォード氏はこの研究には関わっていないが、この発見は特に興味深いと語る。「これは、星が崩壊するときに直接形成されるブラックホールと、銀河の中心にある超大質量ブラックホールをつなぐ架け橋です」。サービク・フォード氏が指摘するように、ブラックホールの残骸がお互いを見つけ、そして合体する必要があるため、階層的な合体を起こすのは実は非常に難しい。「通常の状況では、宇宙の寿命の何倍もかかります」とサービク・フォード氏は言う。「ですから、活動銀河核や AGN のような非常に密度の高い恒星環境で起こったに違いありません」

今年の夏の初め、サーヴィック・フォード氏と彼女のチームは、今週詳細が発表されたのと同じ空の部分から光が発せられるブラックホールの合体爆発に関する論文を発表した。最近の論文で概説されているフレアと合体するブラックホールの間には関連がある可能性はあるが、フォード氏は新たな発見の完全なデータセットが共有されるのを待って、答えを導き出そうとしている。

現在、LIGO と Virgo は観測を行っていないが、来年末までにいくつかのアップグレードを施して再び稼働する予定だ。ワインスタイン氏のような重力波天文学者は、地球に設置されたこれらの重力波検出器の感度がさらに高まり、より遠くの源を探査し、宇宙の進化のより遠い過去を観察できるようになることを期待している。「今回のようなもっと珍しい現象、そして今まで見たことのないようなもっと珍しい現象を探す必要があります」とワインスタイン氏は言う。「それは素晴らしいことではないでしょうか？」