LIGOによる重力波（強力な宇宙現象による時空のさざ波）の発見は、さざ波というより津波のように天体物理学に大きな衝撃を与えました。10周年を迎えた今、この多国間協力は新たな科学的マイルストーンを打ち立てました。今回は、ブラックホール物理学における1つではなく2つの謎を解明したのです。
本日Physical Review Letters誌に掲載された論文では、LIGO-VIRGO-KAGRA（LVK）共同研究チームが、ブラックホール合体から史上最も鮮明な重力波信号を捉えた様子が報告されています。問題の信号であるGW250114の更なる解析により、スティーブン・ホーキングとロイ・カーがそれぞれ1971年と1963年に立てた2つの主要な予測が検証されました。
まず、ブラックホールが合体すると、結果として生じるブラックホールは両方の部分を合わせたよりも広くなることが、これまで以上に確実になりました。次に、ブラックホールにおける重力の乱れを記述するために必要な指標は、質量とスピンという2つだけです。
「これは美しく、画期的な結果です」と、ピッツバーグ大学の理論物理学者アーサー・コソウスキー氏はギズモードへのメールで述べた。コソウスキー氏は今回の研究には関わっていない。最新の結果は「回転するブラックホールの根本的な性質を裏付けるものであると同時に、強場一般相対性理論の驚くべき検証でもある」とコソウスキー氏は付け加えた。
最新の結果は、LIGOが2015年に観測した史上初の重力波信号GW150914からほぼ10年後に得られたものです。2021年、物理学者たちは2015年の信号を用いてホーキングの定理を検証しました。チームはこの検証の信頼度を95%と評価していましたが、今回のより明確な結果により、信頼度は驚異的な99.999%にまで跳ね上がりました。これは現代科学における「真実」に限りなく近い数値です。
「10年前は、宇宙でブラックホールが衝突するかどうか確信が持てませんでした」と、LIGOの広報担当者で英国カーディフ大学の物理学者スティーブ・フェアハースト氏はギズモードに語った。「今では、週に数回のブラックホールの合体を観測しています。これまでに観測された300個の重力波候補物質により、宇宙におけるブラックホールの個体数の国勢調査が始まっています。」
ブラックホールが鳴っている
ブラックホールは合体時に大きな質量を失います。激しい合体によりブラックホールの自転速度が上昇し、面積が減少することもあります。ホーキングとジェイコブ・バーンスタインのブラックホール面積定理は、これらの要因にもかかわらず、合体によってより大きなブラックホールが生成されるという仮説に基づいています。
GW250114を生み出した合体において、最初のブラックホールの表面積は約92,665平方マイル（24万平方キロメートル）であったのに対し、最終的なブラックホールの表面積は約154,441平方マイル（40万平方キロメートル）でした。最終的なブラックホールの質量は太陽の約63倍で、毎秒100回転していると、研究は述べています。
英国バーミンガム大学の天体物理学者グレゴリオ・カルロ氏を含むLIGOメンバーが開発した「音楽的な」ソフトウェアにより、研究チームはこのような精密な測定を行うことができました。このツールにより、ブラックホールが合体してより大きなブラックホールになる様子を、10年前の4倍の感度で「聞く」ことができるようになりました。
「ブラックホールは黒いので、『見る』のは非常に難しいのです」とカルロ氏はギズモードとのビデオ通話で語った。重力波実験は、重力によって制御されるものはすべて技術的に重力波を生成するため、簡単な回避策となる。巨大で厄介なブラックホールは特に大きな音を立てる。そして、私たちはこれらの信号に同調する能力が向上していると、カルロ氏は説明した。
「ブラックホールが衝突すると、そのブラックホール特有の音を発します」とカルロ氏は述べた。「質量と回転のみに依存するこれらの音、つまり音階を聞き取ることができれば、ブラックホールの質量と回転を抽出できるのです。」
そもそも、それが可能であるという事実こそが、ブラックホールをこれほどまでに特別なものにしているのだ、と彼は付け加えた。「ブラックホールは恐ろしいものだと思われがちですが、実際には想像できる最もシンプルなものなのです。」
知識の融合
フェアハースト氏は、重力波天文学はまだ「初期段階」にあると述べ、非常に興味深いと指摘した。LIGOによるノーベル賞受賞の発見は確かに大きな成果だったが、このプロジェクトには最終目標が存在しない。むしろ、GW250114の発見は天文学の新たな章の幕開けとなったと言えるだろう。
「今後数年間、検出器の感度は向上し続け、これまで以上に多くの、より高精度な観測が可能になるでしょう」とフェアハースト氏は述べた。「いずれ、私たちは予想外の何かを観測するでしょう。それは、天体物理学的に説明が難しい信号、一般相対性理論の予測と完全には一致しない信号、あるいは予想外の源からの信号のいずれかです。」
LIGOの生みの親である3人の物理学者の一人、キップ・ソーンは声明の中で、2015年にLIGOが歴史的な重力波を検出した直後、ホーキング博士が彼に、この装置で彼の面積定理を検証できるかどうか尋ねたことを回想した。残念ながら、ホーキング博士はLIGOがついにその試みを成功させる3年前に亡くなってしまった。
この逸話と、LIGOがGW250114に到達した経緯は、理論面と実験面の両方で、何世代にもわたるブレークスルーが収束し、宇宙への理解を深めてきたことを示しています。これは非常に喜ばしいことです。
