天文学者たちは、ブラックホールが異常な大きさの謎の物体に衝突していることを示す観測結果に頭を悩ませている。
アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ誌に掲載された新たな研究では、ブラックホールと未確認の天体との衝突が報告されています。この天体衝突当時、ブラックホールの質量は太陽の23倍でしたが、未確認の天体は太陽のわずか2.6倍でした。これは明らかに奇妙な現象です。
ノースウェスタン大学の天体物理学者ヴィッキー・カロゲラ氏と共同執筆したこの新論文の研究者たちは、この小さな天体はブラックホールか中性子星である可能性があると述べている。中性子星は爆発した恒星の超高密度残骸である。太陽質量の2.6倍のブラックホールは記録上最小（既知の最も軽いブラックホールは太陽質量の5倍）であり、同じ質量の中性子星は記録上最大（最も重い中性子星は太陽質量の2.3倍から2.4倍）となる。いずれにせよ、これは天文学者がこれまで見たことのないものであり、実際には全く新しい種類の高密度コンパクト天体である可能性がある。
「この発見は衝撃的です。予想外の質量を持つ天体を発見したからです」と、フロリダ大学の天体物理学者で今回の研究の共著者であるイムレ・バルトス氏は、ギズモードへのメールで説明した。太陽質量の約2.2倍から5倍の範囲にあるこのコンパクトな天体は、「これまで無人だと考えられていた」とバルトス氏は述べ、質量ギャップと呼ばれる謎めいた質量区分に言及した。
「私見では、この研究で最も興味深いのは、『質量ギャップ』と呼ばれる、私たちが測定した中で最も重い中性子星と最も軽いブラックホールの質量の間にある、いわば無人地帯に物体が検出されたことです」と、バージニア大学と国立電波天文台の天体物理学者で、今回の研究には関わっていないサンクフル・クロマティ氏はギズモードへのメールで述べています。「残念ながら、それがどちらなのかを特定することは不可能です。その理由の一つは、中性子星の合体では通常検出される『潮汐変形』、つまり中性子星の伸張が、今回の合体の非対称性によってかき消されてしまうためです。」
とはいえ、入手可能な観測的証拠と、許容可能な中性子星質量に関する理論的予測は、「この天体はおそらく非常に軽いブラックホールであることを示しています」と彼女は述べた。もしこれが本物の中性子星であることが判明すれば、「極めて高密度な物質の振る舞いを根本的に再考しなければならないでしょう」。
天文学者たちはこれまでにもブラックホール同士の衝突や、中性子星同士の衝突を観測してきましたが、ブラックホールと中性子星の衝突は観測していません。もしこれが確認されれば、GW190814と命名されたこの宇宙合体は、世界初の事例となります。ギズモードは昨年夏、この現象に関する予備調査の記事を掲載しました。
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GW190814は、2019年8月14日に米国科学財団のレーザー干渉計重力波観測衛星（LIGO）とVirgo検出器によって観測されました。地球から800万光年離れた場所で発生したこの衝突は非常に重大なものであったため、時空構造にさざ波を立て、それが重力波として放射され、最終的に地球上の検出器に到達しました（アインシュタインに感謝！）。2つの天体の質量の差は9:1で、重力波イベントとしては新たな極限状態を示しています。これまでの質量差の記録は、2つのブラックホールの衝突であるGW190412で、質量比は4:1でした。
2017年8月に発生したGW170817のような、中性子星が関与する過去の宇宙合体では、重力波に加えて検出可能な光波が発生していたが、今回の合体では、LIGOとVirgoの科学者が警報を発した後、世界中の複数の観測所が現場に向けられたにもかかわらず、光は検出されなかった。著者らは、GW170817からの光は、その広大な距離を考えると弱すぎた可能性があると述べている。あるいは、この未知の天体はブラックホールだった可能性もある。ただし、そのブラックホールは驚くほど軽量だった。研究者らは別の可能性を示唆している。それは、中性子星がブラックホールに一気に飲み込まれ、急速な合体によって光は発生しなかったというものだ。
LIGO科学コラボレーションのメンバーであり、カーディフ大学の大学院生でもあるチャーリー・ホイ氏は、プレスリリースで次のように興奮気味に述べている。「これは、コンパクト連星系のまったく新しい集団を垣間見る初めての機会です。」
クロマティ氏は、「たとえそれがどんなに刺激的な結果であっても」、軽い天体が中性子星である可能性は低いと述べた。「現時点ではどちらとも言えないが、LIGOチームはその可能性は低いと明言しているため、その可能性を考えることにあまりエネルギーを費やさないことが重要だ」と彼女は述べた。
太陽の2.6倍の質量を持つこの軽い天体の起源もまた謎のままだ。中性子星とブラックホールはどちらも、質量の大きい星が自らの重力で崩壊することで生まれるとバルトス氏は述べた。しかし、この新しい天体は「この進化の過程とは矛盾しており、死にゆく星以外の何かがそれを生み出したに違いない」とバルトス氏は述べた。
バルトス氏によると、興味深い可能性の一つは、この天体が「通常サイズ」の中性子星2つの衝突によって発生したという点だ。中性子星の質量は太陽質量の約1.3倍で、「この2つが合体して、ここで観測されている質量に相当する」と同氏はギズモードに語った。さらに同氏はこう付け加えた。
このような衝突の後に残骸がブラックホールと衝突したという事実は、ここではある種の「組立ライン」が働いていることを示唆しています。これは、宇宙において多くのブラックホールと中性子星が近接している場所では実際に予想されることです。これは、基本的にすべての銀河に存在する中心の超大質量ブラックホールの引力により、これらの天体が移動するあらゆる銀河の中心で当てはまります。また、超大質量ブラックホールの周りに円盤を形成する大量のガスの流入など、衝突を促進する何かが、より小さなブラックホールと中性子星を集めて組み立てる場合も、衝突を助長する可能性があります。実際、このイベントに関するもう1つの大きな驚き、つまり衝突する2つの天体の質量が非常に異なることも、激しい衝突を示唆しています。
次のステップは、より多くの宇宙の合体を確認し、研究することです。朗報としては、天文観測機器が着実に進歩するにつれ、今後数か月、数年の間にさらに多くの合体が検出できると期待されています。
「発見のペースは加速しています。LIGOとVirgoが発表した衝突は、現在も解析中の50以上の候補のうち、今回が3つ目です」とバルトス氏はギズモードに語った。今後数年間で発見ペースはさらに大幅に上昇し、「ほぼ毎日、よりエキサイティングな検出が期待できる」と彼は語った。これはすごいことだ。
