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このブラックホールの衝突は、LIGOの重力波ハンターの限界を広げるものである。

LIGOブラックホール合体 — LIGO が検出したものと同様の、合体する 2 つのブラックホールを描いた想像図。(LIGO / カリフォルニア工科大学 / MIT / ソノマ州立大学イラスト / オーロール・シモンネット)

レーザー干渉計重力波観測所は、確認された3番目のブラックホールの合体を検出しました。これは驚くべきものです。LIGOの最新の発見は約30億光年離れており、これは最初の2つの発見の2倍以上離れています。

GW170104として知られる、新たに報告された衝突の重力波の特徴は、恒星質量ブラックホールに重量級クラスがあることも裏付けている。

「これは、LIGO以前には知られていなかったブラックホールの新たな種族を明確に証明するものだ」とペンシルベニア州立大学とカーディフ大学の物理学者バンガロール・サティアプラカシュ氏は語った。

さらに、ブラックホールが合体する前に互いの周りを回転していた様子から、ブラックホールはもともと一緒に生まれたのではなく、互いの邪魔になった可能性が示唆されています。これは重力波観測では初めてのことです。

もしかしたら、それほど珍しいことではないのかもしれません。重力波観測の時代は、2015年9月にLIGOが初めて直接検出した時からまだ2年も経っていないのですから。この歴史的な発見の3か月後には、2度目の検出が確認されました。

3回目の検出は今年1月4日に行われ、本日Physical Review Letters誌に掲載が受理された論文で報告されています。

「この3度目の信頼性の高いイベントから得られる重要なことは、私たちが真に目新しいものから新たな観測科学へと移行しつつあるということだ」と、LIGO科学コラボレーションの主要スポークスマンであるMITのデビッド・シューメーカー氏は述べた。

重力波は、超新星爆発やブラックホールと中性子星の衝突といった劇的な現象によって引き起こされる、時空の構造における一時的な歪みです。物理学者アルバート・アインシュタインは、重力波は一般相対性理論の結果として放出されるはずだと述べましたが、LIGOによる決定的な証拠を得るまでには数十年を要しました。

LIGOのチームは、ルイジアナ州リビングストン近郊とワシントン州ハンフォード・サイトに設置された2つの検出器を使用しています。各検出器はL字型のアームを2本備えており、それぞれ2.5マイル（約4キロメートル）伸びています。レーザー光はアーム内部の鏡で反射され、この配置により、陽子の幅の1000分の1以下の精度で空間次元の歪みを検出できます。

巨大なブラックホール

科学者たちは、2つの検出器の測定値を比較し、観測しているものが一時的な異常ではなく、真の重力波であることを確認しています。ほんの一瞬の歪みを詳細に分析することで、ブラックホールの大きさ、配置、そして回転を知ることができます。

最初に確認された2つのブラックホールは、太陽の62倍と21倍の質量でした。LIGOのチームによると、3つ目のブラックホールは、太陽の31.2倍と19.4倍の質量でした。これらのブラックホールは衝突して、太陽の約48.7倍の質量を持つ、より大きなブラックホールを形成しました。

^{衝突は非常に激しく、太陽の2倍の重さに相当するブラックホールの質量の一部が、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。これが重力波バーストを引き起こしたのです。

LIGOが登場する以前、物理学者たちは恒星が太陽の20倍以上の質量を持つブラックホールに崩壊するかどうか確信が持てませんでした。しかし、LIGOの観測のおかげで、今では重い恒星質量のブラックホールが存在する可能性があることが分かっています。おそらく、恒星の金属量が低い場合でしょう。

ずれてる？

新たに報告されたこの検出は、物理学者を悩ませてきた連星ブラックホールに関する疑問にも光を当てるものです。連星ブラックホールは常にペアで形成されるのでしょうか、それとも別々に形成され、後に連結することもあるのでしょうか？

GW170104の観測結果は、少なくとも一方のブラックホールが、二つの天体の互いの軌道運動とは異なる方向に回転していた可能性を示唆している。これは、二つのブラックホールが共に星として誕生したわけではないことを示唆している。

「ブラックホールが一直線に並んでいない可能性があるという証拠が得られたのは今回が初めてであり、高密度の星団で連星ブラックホールが形成される可能性があるというわずかなヒントを与えてくれる」とサティアプラカシュ氏は語った。

LIGO科学コラボレーションの副広報担当者であるジョージア工科大学のローラ・カドナティ氏は、この発見はブラックホール形成の「パズルに新しいタイルをはめ込む」ものであるとGeekWireに語った。

アインシュタインはまたしても正しかった

LIGOが検出した最初の2回のブラックホール合体は、14億光年以内の距離で発生しました。この3回目の合体が約30億光年の距離で発生したという事実は、科学者たちにアインシュタインの仮説のもう一つを検証する機会を与えました。

重力に関するいくつかの理論では、太陽からの光波がプリズムや雨滴のカーテンを通過するときに虹色に広がるのと同じように、重力波は時空を移動するにつれて分散するはずだと示唆しています。

しかし、アインシュタインの相対性理論では、そのような分散は排除されている。予想通り、LIGOの科学者たちがデータを詳しく調べたところ、波が広がっている兆候は見られなかった。

「アインシュタインの予測は正しかったようです。今回の新たな事象は、最初の検出から2倍ほど遠く離れた場所から観測されましたが」とカドナティ氏はニュースリリースで述べた。「一般相対性理論の予測との乖離は見られず、今回の距離の延長によって、より自信を持ってその予測を立てることができるのです。」

ブラックホールの位置 — 透明な球体に投影された天の川銀河の3D投影図。3つのブラックホール合体イベントの推定位置と、重要度は低いものの4つ目の検出候補（LVT151012、緑）を示している。それぞれの外側の等高線は90%の信頼度領域を表し、最も内側の等高線は10%の信頼度領域を表す。（LIGO / Caltech / MIT / Leo Singer / 天の川銀河の画像、撮影：Axel Mellinger）

次の波が来ている

GW170104は、現在も進行中のAdvanced LIGOシステムの第2回観測期間中に検出されました。この観測期間は昨年11月に開始され、8月末まで続く予定です。その後、検出器はさらにアップグレードされます。

「これらのアップグレードにより、宇宙への到達範囲が広がり、最終的には3回目の観測を開始できるようになります」と、LIGOハンフォード観測所の所長を務めるカリフォルニア工科大学のマイク・ランドリー氏は述べた。「この観測で連星系ブラックホールのさらなる発見だけでなく、物質を含むブラックホールの検出も期待しています。」

例えば、LIGO は 3 回目の実行中に最初の中性子星の合体を発見できる可能性が高いとランドリー氏は述べた。

今年中に、欧州の重力波検出器VIRGOがイタリアでの探査に加わる予定です。インドと日本でも検出器の設置が計画されています。これらの施設は、重力波の検出能力を高めるだけでなく、科学者がアウトバーストの発生源をより正確に特定するのに役立つでしょう。

最終的には、物理学者たちは平均して週に一度、あるいは一日に一度、重力波信号を検出できるようになると予想している。

「NSFが40年以上前にLIGOへの支援を開始したのは、まさにこのためです」と、全米科学財団（NSF）のフランス・コルドバ理事長は声明で述べた。「これはまだ始まりに過ぎません。この『宇宙への窓』は今後も拡大を続け、NSFは将来のアップグレードに携わり、検出頻度を毎日にまで高められることを楽しみにしています。」

Physical Review Letters に掲載される「GW170104: 赤方偏移 0.2 における 50 太陽質量の連星ブラックホールの合体の観測」(BP Abbott 他) という論文には、1,000 人以上の研究者が協力しました。