ブラックホールか中性子星か？重力波が宇宙の謎を解き明かす
アラン・ボイル著
時空構造に現れる証拠となる波紋により、科学者が明確に分類できない宇宙物体の存在が明らかになった。
それが何であれ、この天体は8億光年離れた太陽の23.2倍の質量を持つブラックホールに突然飲み込まれた。この激しい合体によって放出された重力波は、昨年8月にレーザー干渉計重力波観測衛星（LIGO）の2台の検出器と、イタリアのVirgo重力波検出器によって検出された。
重力波パターンから、小さい方の天体の質量は太陽の2.6倍であることが明らかになりました。そして、ここで分類の問題が生じます。
天文学者たちは、太陽質量の5倍ほど軽いブラックホールと、太陽質量の2.5倍ほど重い中性子星をカタログ化してきました。しかし、この2つの限界の間にある何かの決定的な証拠が発見されたのは今回が初めてです。
本日、天体物理学ジャーナルレターズ誌に掲載された論文で説明されている、新たに報告された検出は、物理学と恒星の進化によって決まる「質量ギャップ」と考えられていたものを埋めるものである。
「この謎を解くのに何十年も待ち望んでいました」と、ノースウェスタン大学の天文学者で研究共著者のヴィッキー・カロゲラ氏はニュースリリースで述べた。「この天体が既知の中性子星の中で最も重いのか、それとも最も軽いブラックホールなのかは分かりませんが、いずれにせよ記録を破ったことになります。」
もう一人の共著者であるウィスコンシン大学ミルウォーキー校のパトリック・ブレイディ氏は、この発見は、天体という動物園の中で最も異質な存在である中性子星とブラックホールについての科学者の見解を変える可能性が高いと述べた。「質量の差は実際には全く存在しない可能性があり、観測能力の限界によるものだった可能性があります」と彼は述べた。「時間とさらなる観測がそれを証明してくれるでしょう。」
LIGOとVirgoは、放出される重力波によって生じるわずかな空間の歪みを測定することで、ブラックホールや中性子星の巨大な衝突を検出することができます。物理学者アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論に基づいて、このような重力波が存在するはずだと予測していましたが、実際に直接観測されたのは2015年（この観測により、LIGOのリーダーたちはノーベル賞を受賞しました）まで待たなければなりませんでした。
LIGOは、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2基の検出器を設置し、地震活動などによって引き起こされる可能性のある不要な信号から保護しています。各検出器は、一辺が2.5マイル（約4キロメートル）のL字型のトンネル群で構成されています。トンネル内ではレーザー光線が往復し、その移動時間の差から重力波の擾乱を検知することができます。これらの装置は、陽子の幅の1万分の1という微小な距離変化を測定できるほどの感度を備えています。
昨年の大規模イベント「GW190814」は8月14日に発生し、LIGOとVirgoの両方の検出器で検出されました。他の天文学者たちは、このイベントに関連する可能性のある閃光を観測するよう、直ちに警告を受けました。このような協調観測は、2017年に起きた2つの中性子星の合体に関する事例において非常に重要でした。もし昨年8月の衝突に中性子星が関与していたとしたら、同様の閃光があった可能性があります。
そのような閃光は検出されなかったが、天文学者たちはそれには様々な説明が可能であると述べた。一つの可能性は、謎の天体が中性子星であったとしても、現象があまりにも遠くで起こったため、閃光は暗すぎて見えなかったということだ。もう一つの可能性は、パックマンがビデオゲームのドットを食べるように、ブラックホールが閃光もなく一気に中性子星を飲み込んだ可能性だ。
もし両方の天体がブラックホールだったとしたら、目に見える光はおそらく存在しないでしょう。しかし、重力波は大量に存在しました。二つの天体の質量の一部（太陽の約5分の1に相当）は、アインシュタインのE=mc²の式に従って、直接エネルギーに変換されました。この波のパターンと強度が、衝突した天体に関するデータを得る手がかりとなりました。
現時点では、この謎の天体がブラックホールなのか、中性子星なのか、あるいはもっと突飛な何かなのかを判断するにはデータが不足しています。しかし、今後、質量ギャップにある他の天体の観測によって、謎を解くのに十分な手がかりが見つかる可能性はあります。
「質量ギャップは何十年もの間、興味深い謎でした。そして今、私たちはそのちょうど内側に収まる天体を発見しました」と、国立科学財団の重力物理学プログラムディレクター、ペドロ・マロネッティ氏は述べています。「これは、超高密度物質に関する私たちの理解や、星の進化に関する私たちの知識に反することなしには説明できません。今回の観測は、重力波天文学という分野が持つ変革の可能性を示す、またとない例です。」
LIGOは全米科学財団（NSF）の資金提供を受け、カリフォルニア工科大学（Caltech）とMIT（MIT）によって運営されています。LIGO-Virgoチームは、最新の成果やその他の重力波研究についてより深く掘り下げるため、6月25日午前7時（太平洋標準時）に1時間のZoomウェビナーを開催します。このプレゼンテーションは、LIGO-Virgo-KAGRAウェビナーシリーズの一環として、科学分野の聴衆を対象としています。登録はこちらのリンクから行ってください。
