ブラックホールは中性子星を丸ごと飲み込むことができる

天体物理学の魔術師たちの共同研究チームは、過去 6 年間、地球全体に広がる宇宙構造の微小な振動を観測してきました。彼らの大陸間ネットワークは、ブラックホール同士の衝突や、中性子星同士の衝突による反響さえも捉えています。

今回、彼らは初めて、中性子星とブラックホールの合体をはっきりと感知し、重力波に関する3つのパンチカードを完成させ、死んだ星のその後の生活を1度無料で垣間見る機会を得た。

「本日、我々はブラックホールと中性子星の合体を発見したと発表します」と、グラスゴー大学の天体物理学者で今回の発見チームの一員であるダニエル・ウィリアムズ氏はツイッターに書いた。「我々はそのセットを完成させました。」

太陽の少なくとも12倍の質量を持つ巨大な星が死ぬとき、一般的には2つの運命のうちのどちらかを辿る。死の苦しみの中で星が一定量の物質を一定量に詰め込むと、私たちが知っている物質ではなくなり、ブラックホールに崩壊する。あるいは、死の過程がそれほど激しくない場合は、星の中心にある原子が押しつぶされて、中性子星と呼ばれる、主に中性子からなる球体になる。

10 個中 9 個近くの恒星は、少なくとも 1 つのパートナー恒星とともに生まれ、共に生きています。天体物理学者は長い間、これらのカップルが年老いて死ぬと、2 つのブラックホール、2 つの中性子星、またはそれぞれ 1 つずつとして存在するようになると推測してきました。

レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）を建設した主な動機の1つは、これらの巨大な物体が互いに螺旋状に接近して合体する際に、宇宙に波及すると物理学者が予測した重力波を探すことだった。LIGOは2015年に最初のブラックホールの合体、2017年に最初の中性子星の合体を検出した。しかし、宇宙がブラックホールと中性子星を確実に対にしていたかどうかは議論の余地がある。

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「それらが存在するかどうか、どのように形成されるのか、そして宇宙にどれくらい存在するのかについては、非常に多くの不確実性がありました」と、カリフォルニア工科大学の天体物理学者でLIGOのメンバーであるライアン・マギー氏は言う。

現在、研究者たちは奇妙なカップルが実際に存在すると信じる十分な理由を2つ持っている。

最初の警報が届いたのは、2020年1月5日、マギーさんが車を運転していたときだった。当時は大したことではないように思えた。なぜなら、その電波はネットワークの3つの検出器のうちの1つにしか届かず（LIGOの2つの施設はイタリアのVirgo干渉計と協力関係にある）、信号も特に鮮明ではなかったからだ。

しかし、わずか 10 日後、同様の重力波が 3 つの検出器すべてを同時に揺さぶった。LIGO/Virgo 共同研究チームは、この検出を調査するために急いでいた。「非常に急いで多くの電話に出たのを覚えています」とマギー氏は言う。

重力波を分析することは、窓の外で衝突音が聞こえ、実際に見ることなく原因を推測するのに似ています。甲高い音は2人のバイクが交差したことを示す可能性があり、低い音はより重い車両同士の衝突を示す可能性があります。天体物理学者は、記録した波を見て、直接その出来事を目撃することなく、関係する物体の質量を推定しようとします。

2020年1月に起こったと彼らが考えていることは次のとおりです。両方の衝突には、重い天体と軽い天体が関与していたようです。重い方のパートナーの重さは、それぞれ太陽の9倍と6倍だった可能性があります（最も軽いブラックホールの重さは、太陽の約5倍であると考えられています）。そして、共同研究チームは、軽い方のパートナーの重さは太陽の1.9倍と1.5倍だったと推定しています。これは、最も重い中性子星の理論上の上限である太陽の2.5倍を大幅に下回ることになります。共同研究チームは、火曜日に天体物理学ジャーナルレターズでその結果の詳細を発表しました。ブラックホールと中性子星の合体検出：達成。

いずれの場合も、軽い中性子星は、ビリヤードの球が隅のポケットに消えていくように、伴星のブラックホールに向かって螺旋を描きながら突入していったものと思われる。ブラックホールは中性子星よりもはるかに重いように見えるため、ブラックホールに落ちてきた物体を丸ごと飲み込んでしまった可能性が高い。これは天文学者にとっては残念なことだ。

「理想的には、中性子がブラックホールによって引き裂かれ、乱されるのを見たい。そうすれば、ブラックホールの周囲に物質が飛び散り、望遠鏡で観測できるチャンスが得られるからだ」とマギー氏は言う。「しかし、残念ながら、今回はそのようなことは起こらなかったと思う」

このような花火ショーから、研究者たちは重力の影響が宇宙を伝わる速度や宇宙の膨張速度、そして中性子星の物質のあまり解明されていない性質についてのヒントを得ることができたかもしれない。

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それでも、マギー氏はこの発見に勇気づけられていると感じている。これらの衝突に基づいて、共同研究チームは、ブラックホールが地球から10億光年以内のどこかで中性子星を飲み込む頻度はおよそ月に1回であると推定しており、天文学者にはその後の状況を垣間見る機会が増えるはずだ。

それまでの間、LIGOとVirgoはさらなる振動を聞き、ブラックホールと中性子星のペアの統計的画像の構築を開始する。これは、天体物理学者が、これらの天体が星として一緒に生まれる傾向があるのか​​、それとも活発な銀河や星団が死後にこれらの天体を結びつけるのかを解明するのに役立つだろう。

LIGO のパンチカードはこれで完成だが、マギー氏はまだいくつかのボーナスアイテムを期待している。激しい目に見える爆発を伴う中性子星とブラックホールの衝突に加え、彼は太陽よりもさらに軽い物体が関与する衝突による宇宙の振動にも注目している。

教科書的な理論ではこのようなちっぽけな物体は予測されていないため、その存在は、暗黒物質の雲が崩壊して形成されたブラックホールや、ビッグバン中に作られた極めて高密度のスポットなど、何らかの新しい現象の証拠となるだろう。

「これは新しい物理学の兆候だ」と彼は言う。「何がそれをもたらしたのかを正確に解明する必要があるだろう。」