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重力波の検出に成功 30億年前のブラックホール衝突

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ナショナルジオグラフィック日本版

遠い昔、はるか彼方の球状星団の中で、2つの奇妙な大質量ブラックホールどうしが衝突して融合した。このときに解放された膨大なエネルギーは時空の構造をゆがめ、さざ波のように宇宙を広がっていった。

2017年初め、地球のレーザー干渉計重力波観測所(LIGO)が、このさざ波をとらえた。重力波の直接検出としては3例目だ。重力波は、宇宙を観測するための新たな方法となることが期待されている。重力波ははるか遠くにあるブラックホールの成長や位置のほか、2つのブラックホールがお互いのまわりを回転しながら死を迎える様子についても教えてくれる。

「宇宙は謎でいっぱいです。私たちはブラックホールがどのように生まれてくるのかわかっていると思っていましたが、知らないことがまだまだたくさんあるのだと思い知らされました」と、カナダ、マギル大学の天体物理学者ダリル・ハガード氏は語る。

ブラックホールが激突

LIGOが最新の重力波をとらえたのは2017年1月4日のこと。約30億年前のブラックホールの衝突により発生した重力波が、今になって地球に届いたのだ。地球に打ち寄せた時空のさざ波は、米国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設置されたレーザーと鏡からなる装置によってとらえられた。

地球に届いた重力波は、空間をわずかに伸び縮みさせた。伸び縮みの大きさは陽子の直径よりもはるかに小さく、私たち人間が気づくのは不可能だ。しかし、LIGOの感度は非常に高く、この小さなゆがみをしっかりとらえた。

信号を慎重に分析した研究チームは、この重力波が、太陽の30倍と19倍の質量をもつ2つのブラックホールが激突したときに発生したものであることを突き止めた。(参考記事:「重力波を生んだ太古のブラックホール衝突を解明」)

2つのブラックホールは、長い間、お互いのまわりを回転していたが、徐々に死のらせんへと引き込まれていった。じわじわと接近してゆくブラックホールは、重力波の形でエネルギーを放射した。そしてついに衝突して融合し、さらに多くのエネルギーが時空のさざ波として宇宙に放出された。

このほど科学誌『フィジカル・レビュー・レターズ』に発表された論文によると、衝突により新たに形成された底なしの曲がった時空は、実に太陽の50倍の質量をもつという。(参考記事:「【解説】重力波、世紀の発見をもたらした壮大な物語」)

重すぎるブラックホールの謎

LIGOが最初に重力波を検出したのは2015年9月で、2回目は2015年12月だったが、これらの重力波もブラックホールどうしの衝突によって発生したものだった。そして、3例のうち2例では、ブラックホールの質量は天体物理学者の予想よりはるかに大きかった。

いわゆる「恒星質量ブラックホール」に関する科学者の知識は、あまり正確ではないようだ。

恒星質量ブラックホールは、太陽より質量の大きい恒星が爆発して死ぬときに形成される残骸だ。単純に考えれば、恒星が大きいほど残骸も重くなりそうだが、天体物理学の世界ではそうなるとはかぎらない。

なぜなら、大きい恒星ほど激しく活動し、恒星風として宇宙空間に大量の物質を吹き飛ばしているからだ。そのため、一生を終える頃には多くの質量を失っていて、最後は比較的小さいブラックホールになる。

米ペンシルベニア州立大学のスタイン・シグルドソン氏によると、この数十年間の理論と観測により、恒星質量ブラックホールの質量が太陽の約10倍を超えることはないと考えられていたという。けれどもLIGOは、従来考えられていた上限よりもはるかに重いが、銀河の中心にある巨大ブラックホールほどは重くはないブラックホールが複数あることを明らかにした。

LIGOの研究チームに所属するジョージア工科大学のローラ・キャドナーティ氏は、「私たちが発見するまで、このようなブラックホールが存在していることさえ知られていませんでした」と言う。

ハガード氏は、「ブラックホールの質量を説明する方法を考える必要があります」と言う。「最初の発見のときも、この点は問題でした。太陽の30倍の質量のブラックホールというのは、ありえないとは言いませんが、少々意外です。今回発見されたブラックホールは、本当に大きいのです」

こうしたブラックホールを説明する方法の1つは、もとになった大きな恒星が、主として水素とヘリウムからできていたとすることだ。これなら、恒星風は穏やかで、質量の損失も少ないので、恒星が死ぬときには、より質量の大きなブラックホールになることができる。

かつて、球状星団ではこのような恒星が多くみられた。球状星団とは、非常に古い恒星が密集している天体で、銀河のまわりを軌道運動している。球状星団は、私たちの銀河系にもある。

球状星団の中で生まれた?

研究チームは、重力波の信号から、融合前のブラックホールの自転方向や自転軸の向きなど、さまざまな特徴を推定することができた。キャドナーティ氏は、これらの情報から、衝突は球状星団の中で起きたようだと考えている。

今回のLIGOのデータによると、融合前のブラックホールの自転は揃っていなかった。つまり2つのブラックホールは、球状星団の中の離れた場所で形成されたようだ。それらが星団の中心に向かって落ち込んでゆき、最終的に死のらせんに捕まってしまったのかもしれない。

この説明は、現在のデータとよく合うように見えるが、シグルドソン氏は、1つのシナリオだけが正しいと考える必要はないと言う。「個人的には、大質量ブラックホールは、銀河の中でも球状星団の中でも形成されると考えています。私たちが遠くから見ている大質量ブラックホールは、球状星団に操られているのかもしれません」(参考記事:「ブラックホールに新説 恒星の「食べ残し」を投げ捨て」)

「大質量ブラックホールは、球状星団とその起源について新たな事実を教えてくれようとしています。この点は、私がこの夏に主催するワークショップの主要なテーマになるでしょう」

疑問への答えは、LIGOでのさらなる重力波の検出と(近いうちにいくつか検出されるだろう)、新しい観測データに合わせて理論が改訂されることによって導き出されるはずだ。(参考記事:「史上初のブラックホール撮影、成否は数カ月後」)

ハガード氏によると、LIGOのデータは、恒星や星団の進化に関する通説や、謎の物質「ダークマター」の概念に疑問を投げかけているという。その一方で、アインシュタインの一般相対性理論は、非常によく持ちこたえている。LIGOのデータは、理論の予測ときれいに一致している。

「ブラックホールの形成についての天体物理学理論は、ひっくり返されてしまいました」とハガード氏は言う。「けれども、物理学自体はしっかりしています」

(文 Nadia Drake、訳 三枝小夜子、日経ナショナル ジオグラフィック社)

[ナショナル ジオグラフィック ニュース 2017年6月5日付]

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