ブラックホール black hole
ブラックホール （英語: black hole）は、 宇宙空間 に存在する 天体 の1つ。 極めて高 密度 で、極端に高い 重力 を持ち、近傍の 物質 や 光 が脱出不可能である天体。
太陽百個分以上の質量を持つブラックホール同士の衝突と合体が観測されたとの研究結果を、国際研究チームが発表した。観測史上最大規模の合体とされる。
米国のレーザー干渉計重力波天文台（ＬＩＧＯ）が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で運用する一対の観測装置が、二つのブラックホールの衝突で生じた重力波を検出した。この現象は「ＧＷ２３１１２３」と名付けられた。
アインシュタインは１９１５年に相対性理論の中で重力波の存在を予測したが、重力波は極めて微弱なため人間の技術では直接観測できないと考えていた。だが２０１６年にＬＩＧＯが初めてブラックホールの衝突による重力波を観測。貢献した科学者３人は翌年、ノーベル物理学賞を受賞した。
それ以来、ＬＩＧＯとイタリアの重力波観測装置Ｖｉｒｇｏ、日本の同ＫＡＧＲＡが、計約３００件に上るブラックホールの合体を観測してきた。
重力波とは、時空を伝わるさざ波のようなものです。すばる望遠鏡のような光赤外望遠鏡や、アルマ望遠鏡のような電波望遠鏡は、電磁場の振動である電磁波を捉える装置です。それに対して、KAGRAは時空の歪みが波として伝わる重力波を捉えます。そのため、その検出原理も電磁波を捉える望遠鏡とは大きく異なります。KAGRAで使われているのは、レーザー干渉計という技術です。重力波によって空間が伸び縮みする様子を、直交する方向に飛ばしたレーザー同士の干渉縞を見ることによって検出しようとするものです。この干渉計の精度を高めるためには、長い基線長を持つことだけでなく、高出力のレーザー光源、大口径・超低損失ミラー、超高真空装置などが必要となります。KAGRAではさまざまな最新技術を開発・導入し、来たるべき重力波天文学の時代をリードすべく準備を進めています。
そのなかでもＧＷ２３１１２３は型破りな例だ。観測史上最大規模というだけの理由ではない。
研究結果は１４日、オープンアクセス（ＯＡ）データベース「ａｒＸｉｖ（アーカイブ）」で公開された。研究に参加した国際研究グループ「ＬＩＧＯ科学コラボレーション」のメンバー、英ポーツマス大学のチャーリー・ホイ研究員によると、まずそれぞれのブラックホールは、恒星の死とともに形成されるブラックホールの質量とみられる範囲から外れている。また、どちらのブラックホールも物理学上の限界に近い猛烈な速さで回転していた。「ＧＷ２３１１２３はブラックホールの形成に関する私たちの理解に真の挑戦を突き付けている」と、ホイ氏は語る。
恒星の最後はその質量によって変わる。 太陽の8倍以下の恒星は 白色矮星 となる。 太陽程度の質量の星が小さく縮んで密度が大きくなる。 白色矮星は徐々に冷えていくので、その後だんだん暗くなり、 黒色矮星 となる。 超新星残骸で有名なかに星雲。 ハッブル宇宙望遠鏡撮影。 太陽の8倍以上の恒星は中心部に鉄が作られ、ヘリウムと中性子に分解される。
「質量ギャップ」の領域
重力波は、二つのブラックホールが互いの周りを公転する「ブラックホール連星」における衝突を観測できる唯一の手段だ。ＬＩＧＯ科学コラボレーションに所属する英カーディフ大学重力探査研究所（ＧＥＩ）のマーク・ハンナム氏は、「重力波による観測が始まる前はブラックホール連星の存在さえ疑問視されていた」と指摘。「ブラックホールは光などの電磁放射線を出さないため、通常の望遠鏡では観測できない」と説明する。
アインシュタインの一般相対性理論によると、重力の正体は時空のゆがみとされ、そのゆがみに沿って物体が移動する。高速回転するブラックホールのように物体が激しく運動すると、時空のゆがみは波紋のように外へ広がる。これが重力波だ。
ハンナム氏によれば、重力波は「とんでもなく微弱」で、そこから得られる情報には限界がある。例えば、GＷ２３１１２３の地球からの距離は最大１２０億光年とされるが、正確には分からない。ただし、二つのブラックホールの質量は太陽の約１００倍と約１４０倍でほぼ間違いないと思われる。
ハンナム氏らによると、恒星の崩壊で生まれるブラックホールが太陽の約６０～１３０倍の質量を持つことは、理論上あり得ない。この空白の領域は「質量ギャップ」と呼ばれるが、直接観測された結果ではなく理論上の数値で、正確な幅は定かでないという。ただ、ＧＷ２３１１２３の各ブラックホールが実際にこの領域内に入る質量だったとすると、恒星の崩壊以外の何か別の過程で形成された可能性が高い。
ハンナム氏らは、二つのブラックホールがそれぞれ恒星の崩壊ではなく、過去の合体で生じたとすれば、質量ギャップのなぞが説明できるとの考えを示した。ブラックホール合体の連鎖が起きたというシナリオだ。
本研究には関与していない専門家、米スタンフォード大学カブリ素粒子天文物理学・宇宙論研究所（ＫＩＰＡＣ）のダン・ウィルキンス研究員は、こう語る。「重力波天文学が誕生するまでは、物質を取り込み、強い光を放ちながら成長しているブラックホールしか観測できなかった。重力波がわれわれに示しているのは、それとは別に、互いに合体することで成長するブラックホールの存在だ」
超高速の回転
GＷ２３１１２３のもう一つの特徴は、猛烈な回転速度だ。
「私たちがこれまでに重力波で観測したブラックホールのほとんどは、比較的ゆっくり回転していた」と、ホイ氏は語る。「GＷ２３１１２３はこれまで観測された合体とは違うメカニズムで形成された可能性がある。あるいは、私たちのモデルを修正する必要があるのかもしれない」
ハンナム氏によると、これほど高速の回転は、それぞれのブラックホールが過去にも合体を経験していたという説の裏付けになる。合体を経たブラックホールは、回転が速くなると考えられているからだ。
過去に記録された最大のブラックホール合体は「ＧＷ１９０５２１」だが、その規模はＧＷ２３１１２３の６０％にすぎなかった。ハンナム氏は、将来さらに大規模な合体現象が見つかるかもしれないと話す。今後２０年ほどのうちに、米国のコズミック・エクスプローラー（ＣＥ）や欧州のアインシュタイン望遠鏡（ＥＴ）など次世代の重力波観測プロジェクトにより、さらに正確な装置で衝突、合体を観測できるようになるかもしれない。
今回の大規模な合体は１回限りの例外か、あるいは巨大な氷山の一角なのか。それは今後の観測で明らかになると、専門家らは期待している。
Cosmic Explorerは次世代の天文台コンセプト それは、人類の宇宙に対する重力波の見方を大いに深め、明らかにするでしょう。そうです 全球的な次世代の地上重力波に対する米国の貢献計画 天文台ネットワーク。Cosmic Explorerのデザインコンセプトは、一辺に40kmの2つの施設を特徴としています 1つは一辺20kmで、それぞれに1つのL字型検出器が収納されています。
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その壮大な感度で、コズミックエクスプローラーは重力波源を横切って見ることができます 宇宙です。Advanced LIGO、Advanced Virgo、およびKagraでほとんど検出できないソースは、 信じられないほどの精度。その結果、検出された発生源の数が爆発的に増加し、最大で数百万件にのぼります。 そして、観測の忠実度は物理学に幅広い影響を与えるでしょう。 天文学。重力波の空を深く覗き込むことで、コズミックエクスプローラーは重力波の空を提示します。 新しくて予想外の発見のためのユニークな機会。
地下のアインシュタイン望遠鏡は、ヨーロッパで最も先進的な重力波観測所になります。これにより、研究者はブラックホールが衝突する音を聞き、初期宇宙についての知識を得ることができます。オランダ、ベルギー、ドイツは共同で、この世界クラスの天文台を収容できるかどうかを調査しています。
重力波:宇宙のさざ波
私たちの宇宙は、ブラックホールや中性子星が宇宙のどこかを周回したり衝突したりすると、毎日振動します。アルバート・アインシュタインは1916年に、そのような重力波が通過すると、距離はほとんど計り知れないほど伸び縮むと予言しました。2015年、米国の検出器LIGOは、この現象を初めて測定することに成功しました。
アインシュタイン望遠鏡では、ブラックホールの発生過程や中性子星の構造、ビッグバン直後の宇宙の性質などを調べることができます。彼らはまた、アインシュタインの相対性理論の予測をこれまでにないほどテストしたいと考えています。これにより、私たちの宇宙に対する新たな洞察が得られます。これにより、天文台は国際的な物理学と天文学にとって非常に重要な意味を持つことになります。
地下展望台
アインシュタイン望遠鏡の3つの10キロメートルのトンネルは、重力波の乱れのない測定を行うために、地下250〜300メートルに設置されます。地上では、展望台からはほとんど何も見えません。
アインシュタイン望遠鏡は、高感度レーザーと振動のない吊り下げレーザーで3つの検出器回廊の長さを常に監視することにより、重力波を測定します。その長さが特定のパターンで変化する場合、それは通過する重力波の信号です。アインシュタイン望遠鏡は、以前の望遠鏡よりも1000倍多くの重力波を検出します。
