月曜日に発表された研究によると、超大質量ブラックホールの爆発から発生する宇宙で最も激しい重力波が10年以内に検出されるだろうという。
重力波はアルバート・アインシュタインによって予言され、一般相対性理論が定式化されてから1世紀後の2015年にようやく発見されました。ブラックホールが衝突すると、時空のさざ波が発生します。ブラックホールが合体すると、質量の一部がエネルギーに変換され、重力波として放射されます。
これまで、レーザー干渉計重力観測衛星（LIGO）とVirgoが検出した電波は、太陽質量の100倍未満のブラックホールの合体によるものでした。これは、数百万倍、あるいは数十億倍もの質量を持つ銀河の中心に潜む巨大な怪物と比べれば、ごくわずかなものです。
本日ネイチャー誌に掲載された論文によると、衝突する超大質量ブラックホール間の重力波は10年以内に観測可能になるという。
重力波は時空を永久に変化させると宇宙科学者は言う
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この研究の筆頭著者であり、ニューヨーク市にあるフラットアイアン研究所の計算天体物理学センターの研究員であるキアラ・ミンガレッリ氏は、「これらの超大質量ブラックホール連星合体から発せられる信号は、宇宙で最も強力です。LIGOが検出したブラックホール合体よりもはるかに強力です」と述べています。
これらは最も強力な重力波の発生源であるにもかかわらず、現在の観測所は重力波の同じ波長に敏感ではないため、これを感知することは決してできないだろう。
こうした大きな波紋を探すには、天文学者はパルサー星に注目する必要がある。パルサー星は高速で回転する中性子星で、死んだ恒星の残骸である電波ビームを放射している。
超大質量ブラックホールの合体現象から放出された重力波がパルサーを通過すると、その明滅する光のリズムが影響を受けます。重力波が通過するにつれて、地球とパルサーの間の空間は伸縮するため、パルサーの信号を観測している科学者は、その信号を検出できるようになります。
現在、パルサーからの電波の時刻を測定するプロジェクトが3つあります。オーストラリアのパークス・パルサー・タイミング・アレイ、北米重力波ナノヘルツ観測所、そして欧州パルサー・タイミング・アレイです。これら3つのプロジェクトは、国際パルサー・タイミング・アレイ（IPA）を構成しています。
研究者らは、超大質量ブラックホールのペアが存在する可能性のある近傍銀河の数を数えるデータを収集し、それを近傍パルサーの地図と組み合わせて、強力な重力波信号が検出される確率を計算した。
「天空のパルサーの位置を考慮すると、10年以内に何かを検出する確率は基本的に100%です」とミンガレッリ氏は述べた。「つまり、少なくとも1つの近傍の超大質量ブラックホール連星を選択できるということです。」
ちょっと待ってください。最後のパーセク問題はどうでしょうか?
驚くべき結果は、最もエネルギーの強い重力波が最も検出が難しい可能性があるということだ。
より大きな銀河にはより大きな超大質量ブラックホールが存在するものの、その質量の大きさは衝突の速度と強度を増すことを意味します。そのため、重力波を検出できる時間的窓は狭まります。例えば、M87のような巨大銀河における合体イベントでは、検出可能な信号は約400万年にわたり放出されます。しかし、ソンブレロ銀河のような小さな銀河では、検出可能な信号は1億6000万年とより長くなります。
直径約15キロパーセク（約5万光年）のソンブレロ銀河。画像提供：NASA/ハッブル・ヘリテージ・チーム
これらの衝突を検出することで、研究者は巨大銀河の合体過程を研究することが可能となり、宇宙が時間とともにどのように進化してきたかを理解するための重要な一歩となります。もし科学者がこのような現象を発見できない場合、それは衝突する超大質量ブラックホールが3光年、つまり1パーセク離れると速度が低下するためである可能性があります。
「最終パーセク問題」とは、互いに螺旋状に衝突する超大質量ブラックホールが、衝突するためには周囲にエネルギーを失わなければならない状況を指します。しかし、ブラックホール同士が接近しすぎると、近くの恒星やガスが弾き飛ばされ、エネルギーを伝達する物質が少なくなり、ブラックホール同士の衝突速度が遅くなります。
そのプロセスは現在の宇宙の年齢よりも長くかかる可能性があるため、「どちらにしても興味深いことになるだろう」とミンガレッリ氏は述べた。®
