宇宙の膨張がブラックホールの成長に直接影響するという新しい研究結果

宇宙の膨張がブラックホールの成長に直接影響するという新しい研究結果 天文・宇宙
ブラックホールを初めてレンダリングした画像、入射する物質に照らされている。今回の研究では、ブラックホールが物質の添加なしに質量を増すことで、宇宙の成長と宇宙論的に結合するというモデルを提案しています。©Jean-Pierre Luminet, "Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk," Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228-35.

過去6年間、重力波観測所ではブラックホールの合体が検出され、アインシュタインの重力理論の主要な予測が検証されてきました。

しかし、これらのブラックホールの多くは予想外に大きいという問題があります。

今回、ハワイ大学マノア校、シカゴ大学、ミシガン大学アナーバー校の研究チームは、この問題を解決するために、「ブラックホールは宇宙の膨張とともに成長する」という新しい解決策を提案しました。

2015年にレーザー干渉計重力波観測装置(LIGO)によってブラックホールの合体が初めて観測されて以来、天文学者たちはその質量の大きさに何度も驚かされてきました。

ブラックホールの合体は、光を発しないものの、アインシュタインの一般相対性理論によって予測された時空の裂け目である重力波を放出することで観測されます。

ブラックホールは、巨大な星が合体してできるもので、大きくなりすぎるとまとまらなくなるため、物理学者は当初、ブラックホールの質量が太陽の約40倍以下であると予想していました。

しかし、「LIGO」や「VIRGO」では、太陽の50倍以上、中には100倍もの質量を持つブラックホールが多数発見されています。

このような大きなブラックホールを形成するシナリオは数多く提案されていますが、これまでに観測されたブラックホール合体の多様性を説明できるシナリオはなく、また、どのような形成シナリオの組み合わせが物理的に実行可能であるかについても合意が得られていません。

Astrophysical Journal Letters誌に掲載された今回の研究は、ブラックホールの質量が大きいものと小さいものの両方が、宇宙そのものの膨張によって質量を獲得するという、単一の経路から生じることを初めて示しています。

天文学者は通常、ブラックホールを膨張しない宇宙の中でモデル化します。

ハワイ大学マノア物理学・天文学部のKevin Croker教授は、「膨張しない宇宙では、追跡する必要がはるかに少ないため、アインシュタイン方程式を単純化する前提となっています。しかし、予測が妥当なのは限られた時間だけというトレードオフがあります。」と述べています。

LIGO-Virgoで検出される個々の事象は数秒しか続かないため、単一の事象を分析する場合、この単純化は理にかなっています。

しかし、同じような合体でも、数十億年単位の時間が経過している可能性があります。

ブラックホールができてから合体するまでの間に、宇宙は大きく成長しているのです。

アインシュタインの理論の微妙な側面を注意深く考慮すると、驚くべき可能性が出てきます。

ブラックホールの質量が宇宙と歩調を合わせて成長する可能性があり、Croker氏たちはこれを「宇宙論的結合」と呼んでいます。

宇宙結合物質の最もよく知られた例は光そのものであり、光は宇宙の成長とともにエネルギーを失っていきます。

共同研究者でハワイ大学マノア物理学・天文学教授のDuncan Farrah氏は、「私たちは逆の効果を考えてみました。もしブラックホールが宇宙的に結合していて、他の星やガスを消費しなくてもエネルギーを得られるとしたら、LIGO-Virgoは何を観測するだろうか?。」と述べています。

この仮説を調べるために、研究者たちは何百万組もの大きな星の誕生から死をシミュレーションしました。

そして、両方の星が死んでブラックホールになったペアは、その死の時点から宇宙の大きさと関連づけられました。

宇宙が成長を続けるにつれ、これらのブラックホールの質量はお互いに螺旋状に成長していきました。

その結果、合体したときのブラックホールの質量が大きくなっただけでなく、合体の回数も多くなったのです。

LIGO-Virgoのデータを研究者たちの予測と比較してみると、ほぼ一致しました。

共同研究者であるミシガン大学のGregory Tarlé教授は、「最初は何を考えているのかわからなかったと言わざるを得ません。こんなにシンプルなアイデアなのに、こんなにうまくいくとは驚きました。」

研究者によると、この新しいモデルは、星の形成、進化、死に関する現在の理解に変更を加える必要がないという点で重要であるといいます。

新しいモデルと現在のデータが一致したのは、現実的なブラックホールは静的な宇宙には存在しないことを認めたからです。

しかし、LIGO-Virgoの巨大ブラックホールの謎はまだ解明されていないことを、研究者たちは強調しています。

共同研究者でNASAハッブルの研究員Michael Zevin氏は、「合体するブラックホールについては、主な形成環境や生涯にわたって続く複雑な物理的プロセスなど、多くの側面が詳しくわかっていません。今回の研究では、現在得られているデータを反映した星の種族のシミュレーションを行いましたが、かなりの余裕があります。宇宙論的結合が有用なアイデアであることはわかりましたが、この結合の強さを測定することはまだできません。」と述べています。

研究の共同執筆者でハワイ大学マノア物理学・天文学教授のKurtis Nishimura氏は、「この斬新なアイデアの今後のテストについて楽観的な見方を示しています。重力波観測所が今後10年間で感度を向上させ続けることで、データの量と質が向上し、新しい解析技術が可能になるでしょう。これはすぐにでも測定できるでしょう。」

Published by University of Hawaii at Manoa. Kevin S. Croker et al, Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad