Most massive black hole merger yet puzzles astronomers
The merger of middleweight black holes churn up gravitational waves that been perceived on Earth。
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
遠く宇宙の奥で、二つのブラックホール同士が螺旋状に向かい、結合している様子を観測。 その死のダンスからの強力な重力波は、その波紋が地球上の3つの巨大検出器：米国に本拠を置くレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の2つとイタリアの欧州のVirgo検出器に到達するまで宇宙を駆け巡る。
検出器は過去5年間に何十ものそのような激変を感知したが、2019年5月21日のものは違っていた。 それはこれまでで最も強力で遠い合併であっただけでなく、結果として生じるブラックホールもまた、長い間求められていた中量級ブラックホールのクラスに属していると、LIGO-Virgoコラボレーションのメンバーは本日2つの新しい研究で報告しています。 しかし、不思議なことに、合体した2つのブラックホールは予想よりも重かったのです。
恒星クラスのブラックホールは、通常、大きな星がその核燃料を使い果たし、光と熱の撹拌エンジンが停止したときに作られます。 その外圧がなければ、星の外層は重力で崩壊し、巨大な超新星を引き起こし、ブラックホールを残します。 しかし、非常に大きな星では、崩壊はさらに壊滅的で、熱核爆発の暴走を引き起こし、星を破壊して何も残さない。 理論的には、約65太陽質量でブラックホール質量のカットオフがあるはずだということです。
2019年5月まで、LIGOとVirgoが検出したブラックホール合体は、その質量カットオフをほぼ裏付けていたのです。 その後、GW190521として知られる、わずか1秒の10分の1の出来事がありました。 ニースのコートダジュール天文台の物理学者で、LIGO-VirgoチームのメンバーであるNelson Christensen氏は、「これは、連星合体をスキャンする通常のアルゴリズム（通常は数倍長く続く）では見つからず、「爆発するもの」を探す別のパイプラインによって拾われました」と述べています。
信号はわずか4回のアップダウンという短さでしたが、チームはその振幅、形状、および周波数の時間的変化を解析することができました。 チームのメンバーであるマックス・プランク重力物理学研究所（アルベルト・アインシュタイン研究所）のアレッサンドラ・ブオナンノ所長は、「解釈するのが非常に難しかった」と言う。 「
本日発表された2つの論文（1つはPhysical Review Letters誌、もう1つはThe Astrophysical Journal Letters誌）で、LIGO-Virgo合同チームは、データに最も合うモデルは、約66と85太陽質量の二つのブラックホールが結合して太陽142個分のブラックホールとなったと発表しています。 残りの8太陽質量は、重力波のエネルギーに変換されたはずです。 「
142太陽質量のブラックホールは、即座に独自のクラスとなります。 天文学者は長い間、より小さなブラックホールや、銀河の中心にある何百万、何十億もの太陽でできた巨大なブラックホールを知っていましたが、100から10万太陽質量の中型のものは目立って存在しませんでした。 天文学者は、超巨大ブラックホールの構成要素として中型ブラックホールが必要だと考えており、その存在を示す間接的な証拠もあるのですが、今回の発見は、その範囲の一番下とはいえ、これまでで最も説得力のあるものになるかもしれません。 「
おそらく天体物理学者にとってより興味深いのは、2つの合体するブラックホールの起源です。 軽いほうのブラックホールは、ちょうど質量差の頂点にあるので、1つの巨大な星から形成された可能性があります。 しかし、85太陽質量というのは説明がつきません。 「ローブ氏は、「予想外のことなので、わくわくします。 「この質量差は強固なものでしたが、今、新しいモデルへの扉が開かれました」
解釈論文で、研究チームは多くの可能な説明を検討しました。 ブラックホールは原始的なもので、最初の星が生まれる前の初期宇宙の大混乱の時からぶら下がっていたのかもしれない。 あるいは、小さなブラックホールで、重力レンズによって拡大された合体である可能性もある。 あるいは、もっとエキゾチックに、ビッグバンから残された真空の仮説的欠陥である宇宙ひもに由来する波紋である可能性もある。 しかし、どの説明も、2つの重力の衝突ほどにはデータに当てはまらなかった。 そこで、研究チームは「古き良きオッカムのカミソリ」に頼ることにした、とクリステンセンは言う。 最も単純な説明がおそらく正しいのです。
Loeb は、この重鎮はおそらく「多世代」であり、高密度の星形成領域にある小さなブラックホールが何度も合体して、カットオフ値を超える質量を生み出すのだと考えています。 銀河は、しばしば球状星団と呼ばれる星の密集した塊に囲まれています。 球状星団には何十万個もの古代の星が集まっており、ブラックホールにとって理想的な繁殖地となっている。 ブラックホールは球状星団の中心に向かって沈んでいくので、他の星と合体しやすくなります。 LIGOとVirgoが60以上の合体を感知した後、「これらの環境は特殊であり、だからこそ私たちは今になってそれを見つけたのです」と彼は言います。
しかし、星団にはさまざまな質量のブラックホールがあるはずで、偏った合体は非対称な爆発を起こし、新しいブラックホールを秒速1000キロメートルまで追い出してしまうことがあります。 LIGOとVirgoはアップグレード中で、2022年には感度を上げて観測を再開し、宇宙の3倍を調査できるようになります。 このような重厚長大な合体がさらに見つかれば、「星の苗床の天体物理学がわかる」とローブ氏は言います。 「より多くの事象があればあるほど、その起源を知る手がかりが増えるのです」
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