ブラックホールが中性子星を食らう瞬間、初観測か

重力波により史上初の現象を確認、最新データ

およそ9億年前、あるブラックホールが、宇宙全体に反響するほど大きなげっぷをした。そして8月14日、このときに引き起こされた時空のさざ波が地球を通り過ぎた。これはかつて観測されたことのないタイプの衝突の証拠であり、宇宙の仕組みについて新たな知見をもたらしてくれる可能性がある。

今回観測された現象は「S190814bv」と名付けられており、ブラックホールと中性子星の合体によって引き起こされたと見られている。ブラックホールと中性子星は、どちらも星が爆発した後に残される超高密度の天体だ。ブラックホールと中性子星が連星になることは以前より予想されていたが、さまざまな望遠鏡を使って宇宙を眺めても、実際に観測されたことはこれまで一度もなかった。

一方で天文学者らは、もしブラックホールと中性子星が合体した場合には、重力波と呼ばれる時空のさざ波を起こすことを期待していた。ふたつの極めて巨大な天体が衝突すれば、重力波が発生することは、アインシュタインの一般相対性理論によって1世紀以上前から予言されていた。

重力波が初めて観測されたのは2015年である。このときは重力波観測施設「LIGO」が、ふたつのブラックホールが合体したときに発生した重力波をとらえた。つまり、重力波によってブラックホールの合体が観測できたわけだ。以来、LIGOと、欧州にある重力波観測所「Virgo」によって、さらなるブラックホール同士の合体の他、中性子星同士の合体が観測されている。

LIGOとVirgoはどちらも今回のS190814bvによって発生した重力波をとらえており、もしこれが本当に中性子星とブラックホールの合体であれば、重力波の観測によって確認された大規模な衝突としては3つ目の現象となる。

LIGOとVirgoは、4月26日にも中性子星とブラックホールの合体の兆候をとらえているが、研究者らは、今回のS190814bvの方がはるかに重要度が高いとしている。4月に観測された信号は、地球からのノイズである可能性が7分の1の確率で存在し、これと類似した偽の兆候は20カ月に1回現れると予測されている。一方S190814bvは、地球のはるか遠くで起こったことがほぼ確実であり、もしもS190814bvと類似した偽の兆候が現れるとしたら、宇宙の年齢よりも長く待たなければならないだろうと、LIGOチームは推測している。

「今回の兆候は大いに期待できるものです」と、米ノースウェスタン大学の物理学者で、LIGOチームの一員であるクリストファー・ベリー氏は言う。「これは本物である可能性が非常に高く、だからこそ時間と手間をかける価値があるのです」

「実にエキサイティングな状況です」

LIGOVirgoはまた、S190814bvの発生源を追跡し、これを満月の約11倍の幅を持つ楕円形の領域にまで絞りこんだ。そのため、もしそこに異常な光の点滅があれば、望遠鏡で発見できる。現在、世界各地および軌道上にある観測機器が、それぞれ定期的に行っている観測を一時中断して今回の追跡に加わっており、初期の観測結果をリアルタイムで公開している。

「実にエキサイティングな状況です」と語るのは、NASAのスウィフト望遠鏡の観測担当科学者アーロン・トフバボフ氏だ。スウィフト望遠鏡は、重力波の信号と同じ領域で発生しているX線および紫外線を探している。「一晩中寝ずに観測を続けましたが、この作業ができることがとても幸せです」

スウィフトやその他の望遠鏡によって、LIGOやVirgoがとらえた衝突の残光が実際に確認されれば、それは天文学にとって極めて重大な意味を持つ。なぜなら、その光のおかげで、科学者は中性子星の内部構造を初めて見ることができ、またおそらくは相対性理論の限界を新たな方法によって確かめられるからだ。

「理論家にとっては夢のような話です」と、ノースウェスタン大学の物理学者で、LIGOチームの一員であるビッキー・カロゲラ氏は言う。

とはいえ、望遠鏡で何かが見えると決まったわけではない。現在の理論では、中性子星とブラックホールの衝突は常に光を発するわけではない。光の有無はふたつの天体の質量の比によって決まると予測されている。

中性子星の質量が大きい場合、中性子星がブラックホールに入り込むのにより時間がかかる。すると中性子星はブラックホールに極めて近い軌道を回ることになり、その結果、ブラックホールの重力によって中性子星が粉砕される可能性が高くなる。中性子星がバラバラになり、輝く紙吹雪のようにブラックホールに落ちていく前に光を放てば、望遠鏡でそれを観測できる。

一方、中性子星が小さいと、ブラックホールは中性子星を大した苦労もなくまるごとのみ込んでしまい、光が発せられることはない。カロゲラ氏によると、科学者らは現在、状況をはっきりさせるため、S190814bvのデータを精査して、ブラックホールの質量が最大でどの程度かを見極めているところだという。

いずれにしても初観測

この他、可能性は低いものの、S190814bvに関わるふたつの天体の小さい方が、そもそも中性子星ではないケースも考えられる。

LIGOVirgoは、合体する天体を推定される質量によって分類している。われわれの太陽系の太陽の3倍以下の質量はすべて中性子星であり、また太陽の5倍以上の質量はすべてブラックホールであると判断される。S190814bvの場合、小さい方の天体は太陽3つ分の質量に満たないと見られている。

太陽5つ分よりも小さなブラックホールは、理論的には存在する可能性がある。しかし、観測ではまだその兆候も見つかっていない。また、中性子星が太陽ふたつ分よりもずっと大きくなれば、崩壊してブラックホールになるというのが定説だ。太陽3つ分から5つ分の間の天体については、単にわれわれの観測がまだ不十分というだけで、S190814bvの小さい方の天体は小型のブラックホールなのだろうか?

「今回の現象によって解明が進むと思われる謎はふたつあります」と、ベリー氏は言う。「ひとつは、中性子星の最大質量はどのくらいか、そしてもうひとつは、ブラックホールの最小質量はどのくらいかということです」

あるいは重力波に見られるささやかな特徴から、S190814bvにおける小さい方の天体の正体を突き止められるかもしれない。また、今後の観測によって残光がとらえられれば(カロゲラ氏によると、これには数週間かかることもある)、小さい方の天体が中性子星であることが確実になる。

どちらの結果になるにせよ、これが史上初の観測となることは間違いない。「つまりはウィン・ウィンの状況というわけです」と、ベリー氏は言う。

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