GW190521

GW190521：重力波が捉えた巨大ブラックホールの合体

GW190521は、2019年5月21日にLIGOとVirgoによって検出された重力波信号です。この信号は、2つのブラックホールが合体する際に発生したもので、その規模の大きさから科学界に大きな衝撃を与えました。信号の発生源は、地球から約170億光年離れた、かみのけ座、りょうけん座、ほうおう座付近の765平方度の範囲にあると推定されています。

この重力波を発生させた2つのブラックホールの質量は、それぞれ太陽の約85倍と約66倍という、合体前のブラックホールとしては観測史上最大のものでした。合体後のブラックホールは太陽の約142倍の質量を持ち、これは中間質量ブラックホールが直接検出された初めての事例となりました。合体によって、太陽の約8倍分の質量がエネルギーに変換され、重力波として宇宙空間に放出されました。

この重力波は約70億年以上前に発生したと考えられています。

中間質量ブラックホールの謎に迫る

GW190521の観測は、特に合体後のブラックホール、そして合体前のブラックホールの質量が重要な発見となりました。太陽の100倍から10,000倍の質量を持つブラックホールは中間質量ブラックホールと呼ばれていますが、その存在はこれまで間接的な証拠しか得られていませんでした。GW190521の観測によって、中間質量ブラックホールがどのように形成されるかという謎に、少なくとも一つの確かな答えが示されました。

研究チームの一員であるVassiliki Kalogeraは、「これは中間質量ブラックホールが誕生した時の質量を、初めてかつ確実に測定したものです。私たちは今、ブラックホール同士の合体を通じて、中間質量ブラックホールが形成される方法を少なくとも一つ確実に知っています」と述べています。

従来の恒星進化論では、太陽の130倍以下の質量を持つ恒星が超新星爆発を起こして形成されるブラックホールの質量は太陽の65倍以下とされています。一方で、太陽の200倍以上の質量を持つ恒星が超新星爆発を起こさずに直接ブラックホールになると、その質量は太陽の120倍以上になると考えられています。しかし、太陽の130倍から200倍の質量を持つ恒星は対不安定型超新星を起こし、爆発後には何も残さないと考えられています。

この理論に基づくと、単一の恒星の死から直接形成されるブラックホールで、太陽の65倍から120倍の質量を持つものは存在しないと考えられてきました。しかし、GW190521を発生させた2つのブラックホールはその範囲内の質量を持つことから、より重いブラックホール、もしくは両方が過去にブラックホール同士の合体を繰り返して形成された可能性が指摘されています。

閃光現象との関連の可能性

GW190521が重力波として正式に発表される約3ヶ月前、2020年6月には、超大質量ブラックホールの近くで、GW190521を引き起こしたブラックホールの衝突に関連している可能性のある閃光が観測されたと報告されました。

この閃光は、パロマー天文台のZwicky Transient Facility(ZTF)によって検出されました。もしこの閃光と重力波が実際に関連しているのであれば、これはブラックホールの合体によって発生した光を初めて捉えたものとなります。通常、ブラックホールの合体では光は放出されません。この光の原因としては、2つの小さなブラックホールの合体によって形成された中間質量ブラックホールが、近傍にある超大質量ブラックホールの降着円盤を通過する際に、円盤の物質が破壊されたことによって発生した可能性が示唆されています。

研究によると、中間質量ブラックホールは秒速200kmの速さで、約60度の角度で降着円盤を通過したと推測されています。もしそうであるならば、この中間質量ブラックホールが再び降着円盤を通過する約1.6年後に、再び閃光が観測される可能性があります。

この研究チームを率いるMatthew Grahamは、「閃光は重力波現象とほぼ同時期に、同じ場所で発生しました。我々の研究では、閃光がブラックホールの合体の結果である可能性が高いと結論付けていますが、他の可能性を完全に排除することはできません」と述べています。

GW190521の観測は、重力波天文学の新たな扉を開いたと言えるでしょう。今後の研究によって、中間質量ブラックホールの形成過程や、ブラックホール合体時の物理現象について、さらに詳しい解明が進むことが期待されます。

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