LIGOが3度目のブラックホール合体を発見

先端レーザー干渉計重力波観測所（通称 LIGO）が初めて重力波（13 億光年離れたブラックホールの合体から発せられる）を検出したとき、世界中の科学オタクたちはその発見を祝福した。LIGO は一挙に、重力波の存在を証明し、初めてブラックホールを直接観測し、アインシュタインの一般相対性理論の正当性を証明した。そして今、LIGO は 3 度目のブラックホール合体を捉え、当初の画期的な発見を超えて、この観測所がブラックホール望遠鏡として独自の地位を確立しつつあることを証明した。最新の発見は、新しいカテゴリのブラックホールの存在を証明し、これらのシステムがどのように形成されるかという疑問にパズルのピースを加えた。

太陽の約50倍の重さを持つ連星系である2つのブラックホールは、互いの周りを螺旋状に回りながら、回転速度をどんどん上げ、ついに合体しました。わずか3分の1秒の間に、この衝突により、太陽の2倍の重さの質量が物質からエネルギーに変換されました。

合体により、エネルギーは光として放出されるのではなく、重力波に変換されました。言い換えれば、エネルギーは時空構造そのものを歪め、その変形は池を移動する波紋のように時空を伝わりました。

1 月 4 日、30 億光年を旅した後、これらの重力波は地球に到達しました。ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンにある LIGO の検出器は両方とも、GW170104 と名付けられたこの信号をキャッチしました。これにより、この衝突は LIGO が検出した 3 番目のブラックホール合体となり、最も強力なものとなりました。

「これらは人類が目撃した最も強力な天文現象だ」と、カリフォルニア工科大学のLIGOハンフォード天文台の責任者マイケル・ランドリー氏は記者会見で語った。

1,000人を超える科学者のチームが、信号GW170104に基づいて、ブラックホールとその形成に関する新たな知見をすでに得ています。その研究は、Physical Review Letters誌に掲載されています。

まず、この合体により、2 つの部分が合体する前の連星系がどのように回転していたかが明らかになった。これらのシステムでは、各ブラックホールは互いの周りを回るだけでなく、自身の軸の周りを回転している。天体物理学者にとっての疑問は、個々のブラックホールは周回するのと同じ方向に回転しているのか、ということだ。この最新の観測による重力波の指紋は、そうであることを示唆している。

「我々の新しいLIGOの測定は、両方のブラックホールが軌道と同じ方向に回転しているというシナリオを支持するものです」と、同じ電話会議で、LIGO科学コラボレーションの副スポークスマンであるジョージア工科大学のローラ・カドナティ氏は述べた。「これは、スピンが揃っていない場合よりも、合体するのに時間がかかることを意味します。」

ブラックホールの回転パターンは、ブラックホールの形成に関する私たちの考えに新たなパズルのピースを加える。「この発見は、すでにペアになっていた2つの星が崩壊して一緒に形成されたのではなく、これら2つのブラックホールが密集した星団で別々に形成され、星団の中心に沈み、その後ペアになったという説をわずかに支持するものです」とカドナティ氏は述べた。しかし、カドナティ氏は、この発見はブラックホール形成のどの理論が正しいかを明確に証明するものではないと警告した。これはさらなる裏付けが必要となる手がかりにすぎない。

幸いなことに、LIGO はさらに多くの手がかりを得ているようです。この信号により、LIGO は重いブラックホールのカテゴリに属する​​別の物体を発見しました。重いブラックホールとは、太陽の 25 倍以上の質量を持つ物体です。ブラックホールの合体速度を考えると、LIGO は最終的には毎週、あるいは毎日、新しいブラックホールの合体を検出できるようになるかもしれません。より多くの信号を受信すればするほど、ブラックホールの形成について、また重力波が宇宙にどのように広がるかについての詳細について、より多くのことが分かるでしょう。これらのイベントは、重力の源である可能性がある理論上の粒子である重力子の秘密を明らかにすることさえできるかもしれません。

LIGO は、現在の観測が 8 月に終了すると、機器の感度を高めてノイズを減らすアップグレードを計画しており、科学者が中性子星の合体など、ブラックホールに関連しないイベントを捉えられるようになる可能性があります。その頃には、新しい Virgo 重力波観測所がオンラインになり、今夏にデータ収集を開始する予定です。Virgo はイタリアに位置し、LIGO の双子の観測所が検出した重力波信号の発生源をより正確に特定するのを支援できます。これにより、ガンマ線望遠鏡とのコラボレーションが実現する可能性があります。LIGO が信号を検出すると、宇宙にある観測所が信号の発生源に機器を向け、重力波を放出したイベントが近くの物質も乱したかどうかを確認することができます。

「この3度目の、非常に確信的な出来事から得られる重要なことは、我々が目新しいものから新しい観測科学、重力波の新しい天文学へと本当に移行しつつあるということだ」と、MITの物理学者でLIGO科学コラボレーションの広報担当者であるデビッド・シューメーカー氏は語った。