ブラックホールの衝突により、時空を越える波が送り出される可能性がある

空間と時間の構造は、しわが寄って歪んでいます。重力はこの構造を引っ張り、へこみや揺れを引き起こします。その一部は、重力波として人間に観測可能です。2 つのブラックホール、中性子星、またはその他の非常に重い物体が衝突すると、重力波が放出されます。この重力波は、2016 年に画期的な LIGO 実験によって初めて観測されました。

7 年前の最初の検出後、物理学者たちは数学モデルがデータを十分に説明できると考えていた。現在、物理学者たちは、2 つのブラックホールの衝突から放出される重力波がこれまで考えられていたよりも複雑であることを突き止めた。カリフォルニア工科大学とジョンズ ホプキンス大学による 2 つの新しい研究 (2 月 22 日にPhysical Review Letters 誌に同時に掲載され、一致する結果が出ている) では、コンピューター モデルを使用して、重力のさざ波が海岸の波のように互いに影響し合う、ブラックホール衝突におけるいわゆる非線形効果を明らかにしている。

「非線形効​​果は、海岸の波が頂点に達して砕けるときに起こるものです」と、カリフォルニア工科大学の天文学者で、研究の筆頭著者であるキーフ・ミットマン氏はプレスリリースで述べた。「波は単独で進むのではなく、相互作用して影響し合います。ブラックホールの合体のような激しい現象では、こうした効果は予想していましたが、これまでモデルでは見られませんでした。」

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これらの新しい研究は、ブラックホール同士の合体における特定の部分、すなわち、鳴らされた鐘の振動に似ていることからリングダウンと呼ばれる現象を調査している。ブラックホール同士が衝突すると、一時的にゴツゴツした不安定な大きなブラックホールが形成され、それが単純な丸い形に落ち着く必要がある。この落ち着くことと移動することから、リングダウンを構成する重力波が放出される。このプロセスを説明する数学は扱いにくいため、これまでの研究では重力波は互いに相互作用しないと想定されていた。

しかし、この新しい研究は、こうした複雑な事象に取り組み、波が実際に相互に影響し合っていることを発見した。カリフォルニア工科大学のグループは、コンピューターシミュレーションで、2つのブラックホールが完全な円ではない軌道で衝突した場合に何が起こるかをモデル化し、ジョンズホプキンス大学のチームは、2つのブラックホールをほぼ光速で正面衝突させた。これらのシナリオは両方とも特にエネルギーが強く、彼らが期待する非線形性につながる。

エネルギー衝突がなぜこのような結果をもたらすのかを説明するために、ミットマン氏はこれをトランポリン上の2人の人間に例えています。プレスリリースで指摘されているように、2人のジャンパーがゆっくりと上下に飛び跳ねても、お互いにそれほど影響を及ぼし合うことはないはずです。「しかし、1人がよりエネルギーをかけて跳ね始めると、トランポリンは歪み、もう1人はその影響を感じ始めます」とミットマン氏は言います。「これが非線形性の意味です。トランポリン上の2人は、もう1人の存在と影響により、新たな振動を体験するのです。」

非線形効果を考慮しなければ、物理学者は、過去数年間に LIGO で検出されたブラックホールのサイズやその他の特性について誤った判断を下す可能性があります。さらに、これらの詳細は、アルバート アインシュタインの一般相対性理論の複雑さを確認するなど、物理法則に対する私たちの理解が完全に正しいことを確認するための鍵となります。

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「ブラックホールのリングダウンは、アインシュタインの相対性理論をテストする絶好の場を提供します」と、この研究には関わっていないミシシッピ大学の天文学者スミート・クルカルニ氏は言う。「しかし、リングダウンをテストとして使うには、それを完全に理解する必要があります。この研究は、この理解に一歩近づくものです。」

しかし、今のところ、非線形性はスーパーコンピュータの領域でしか見られません。人類最高のブラックホール検出器は、こうした小さな効果を検出できるほど感度が高くありません。しかし、将来の検出器プロジェクトはすでに進行中で、研究者たちはすでに将来に向けた計画を立て始めています。

「次のステップは、これらの効果が LIGO または次世代の検出器で検出可能かどうかを見極めることです」とジョンズ ホプキンス大学の研究論文の主執筆者で物理学者のマーク ホイェク チュン氏は言う。コズミック エクスプローラーとアインシュタイン望遠鏡は、この目的を達成できる可能性のある、今後予定されている 2 つの重力波実験である。「見通しは明るいですが、いつどのように検出されるかをさらに正確に定量化する必要があります」とチュン氏は付け加える。

この2つのシミュレーションは、ブラックホールの謎に新たな光を当てるだけでなく、2つの科学者チームがそれぞれ独立した結果を生み出し、互いの発見を補完しサポートするという、科学的プロセスの素晴らしさも示している。ミットマン氏はポピュラーサイエンス誌に次のように語っている。「理論家と数値相対論者が協力してブラックホールの仕組みについて興味深い発見をしたという、また別の素晴らしい例ができたことに、ただただ感激しています。」