中性子星がブラックホールに衝突した証拠があるかもしれない

重力波の検出は、3年前に初めて行われたときのような衝撃的な出来事ではないが、それでもなお注目に値する。これらの観測所は、人類がこれまでに作った機器の中で最も感度が高いと言えるが、つい最近まで隠されていた宇宙の出来事について教えてくれる。ブラックホールのペアが合体したり、中性子星が互いに衝突したりするのを研究してきたが、今回ついにブラックホールが中性子星に激突する兆候を目撃したかもしれない。科学者たちは、それが本当に可能かどうかさえ確信が持てなかったのだ。

「これは、存在が確実ではなかった新しい天体物理システムの発見です」と、ニューヨークのフラットアイアン研究所の計算天体物理学センターの LIGO チームのメンバーで、近々カリフォルニア工科大学の教授になるカテリーナ・チャツィオアヌー氏は言う。「これらのシステムは、さまざまな天体物理環境で形成されると理論化されているため、その存在を証明し、どれほど一般的であるかを推定することで、それが形成される環境について知ることができます。」

まとめると、4月25日と26日、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードにあるレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の2台の干渉計と、イタリアにあるVirgo干渉計によって、2組の新たな重力波観測が検出されました。前者の信号は、2つの中性子星（超新星爆発後の大質量星の崩壊によって形成される、密集した中性子で構成された超高密度の天体）が互いに衝突して発生したものと思われますが、後者は、まれなブラックホールと中性子星の合体から発生したものと思われます。

これらの最新の検出は、LIGO および Virgo 観測所の大幅なアップグレードの直後に行われた。レーザーの出力が 2 倍になり、「ノイズ」の影響が軽減され、検出器の感度が 40 パーセント近く向上した。「これらの検出は以前から行われていた可能性がありますが、感度が向上したため、より正確な画像を取得できます」と、LIGO チームのメンバーでカリフォルニア工科大学の物理学教授であるラナ・アディカリ氏は言う。「混雑したコーヒーショップではなく、静かな部屋で会話をしているようなものです。」

4月25日に観測された2つの中性子星の衝突は、科学者らがS190425zと呼んでいるが、地球から約5億光年離れた場所で発生したと考えられている（観測された最初の中性子星の合体よりも2～3倍遠い）。このイベントの重力波を捉えたのはLIGOのリビングストン観測所とヴァーゴ観測所のみで（ハンフォードの観測所は当時オフラインだった）、完全な検出がされていないため、イベントの正確な起源は未だ不明である（イベントは空の4分の1を覆うほどの激しさで発生した）。

一方、4月26日に起きた中性子星とブラックホールの衝突（S190426c）は、おそらく約12億光年離れた場所で起きた。3つの観測所すべてがその非常に弱い信号を捉えたため、科学者たちは衝突の場所を空の3％の領域に絞り込んだ。

これが中性子星とブラックホールの混合体であり、単にどちらかのペアではないことはどのようにしてわかるのでしょうか。チャツィオアヌー氏によると、それは質量に帰着します。中性子星は通常、ブラックホールよりも質量が小さく、測定された重力波信号から推定された質量は、軽すぎず重すぎず、ちょうど良い中間の範囲に収まります。

残念ながら、4 月 26 日の信号の起源についてわかっていることは、ほぼこれだけです。これらの物体が以前どのような様子だったか、そしてその結果生じた宇宙のキメラが現在どのような様子かを知るには、これらの信号が中性子星とブラックホールの衝突から実際に発生したものであることを確認する必要があります。チャツィオアヌー氏は、彼女と彼女のチームが重力波データだけでなく、ガンマ線や X 線などの他の測定結果を精査するのに時間が必要であると説明しています。また、今後数か月でこのようなイベントをさらに発見し、誤報ではないことを確認するのにも役立ちます。現時点では、これが中性子星とブラックホールの合体である可能性は、単なる中性子星の連星である可能性の 4 倍です。

しかし、このような出来事がどのようにして起こったかについては、確かにさまざまな説がある。ウィスコンシン大学ミルウォーキー校のポスドク研究員で LIGO チームのメンバーでもある Shaon Ghosh 氏によると、1 つの説は「共進化システムで、2 つの大質量星が一生を連星系で過ごし、進化して中性子星とブラックホールを形成する。この 2 つのコンパクトな天体は重力波を放出し、エネルギーと角運動量を失い、両者の距離が縮まり、最終的に合体する」というものだ。もう 1 つの説は、無関係の中性子星とブラックホールが偶然に近づきすぎて、重力的に相互作用し始め、最終的に合体するという、動的捕獲と呼ばれる現象に関するものだ。

ゴーシュ氏は、ブラックホールには実際には表面がないので、中性子星とブラックホールの合体は、物質を四方八方に噴出させるような衝突ではなく、むしろ2つの天体のソフトな衝突であると強調する。「もしこの出来事が本当に中性子星とブラックホールの合体によるものであれば、ブラックホールの重力が中性子星を十分に変形させ、粉々に引き裂く可能性があります」とゴーシュ氏は言う。ブラックホールの引き返せない地点の周囲に物質が漂う宇宙軌道が形成される可能性がある。

しかし、もし確認されれば、それは驚くべき発見となるだろう。重力波の確認は、アインシュタインの一般相対性理論の主要部分の証拠として一貫して宣伝されてきたが、これらの信号の検出が天体物理学のまったく新しい世界を垣間見るのに役立つかもしれないと多くの人が期待してきた。これらは、その可能性が実現された最初の例の1つになる可能性があるようだ。

「中性子星を含むあらゆるシステムは、極度に高密度の物質に関する情報を持っています」とチャツィオアヌー氏は言う。「ですから、重力波データを研究することで、中性子星物質の特性について何かを推測できるかもしれません」。ゴーシュ氏は、追跡観測は、ブラックホールが及ぼす極度に重力がかかった状態で起こる破壊的な物理的影響を理解するのに役立つはずだと付け加える。

LIGO と Virgo のチームが結果を検討し、より深く理解するには時間がかかるだろうが、これらの最初の一連の仮説が正しいとすれば、私たちは既知の宇宙の天体物理学に対する理解において大きなパラダイムシフトの瀬戸際にいることになる。