●● 過去最大のブラックホール衝突を確認、科学者興奮
重力波で検出、合体前のブラックホールは理論上ありえない重さ
今から70億年以上前、2つの巨大なブラックホールがお互いのまわりを周り、やがて衝突して合体した。この激しい衝突により、時空のゆがみが波となって宇宙に広がっていった。重力波である。
2019年5月21日の早朝、はるか彼方で発生した重力波が地球に到達し、米国のLIGOとイタリアのVirgoという2つの重力波観測所でとらえられた。天文学者たちがその信号を分析したところ、これまで検出されたなかで最大の衝突と、理論上ありえないブラックホールについて、手がかりが得られた。（参考記事：「解説：ブラックホールの撮影成功、何がわかった？」）
GW190521と名付けられたこの重力波は、途方もない規模の衝突によって発生した。研究者の見積もりによると、それぞれ太陽の66倍と85倍の質量をもつ2つのブラックホールがお互いのまわりを回転したあとに合体し、太陽の142倍の質量のブラックホールを新たに形成したという。
9月2日付けで科学誌「フィジカル・レビュー・レターズ」に発表された論文によると、今回の合体は、重力波をきっかけに発見された事象としてはこれまでで最大規模のものである。合体するブラックホールは、一瞬のうちに、太陽を構成する原子に含まれる全エネルギーの約8倍のエネルギーを重力波の形で放出した。このエネルギー量は、毎秒1000兆個以上の原爆を138億年間（つまり宇宙の年齢と同じだけの時間）爆発させるのとほぼ同じである。
「おそらく、私たちがこの宇宙で知っているなかで最大の爆発です」と、米カリフォルニア工科大学の天文学者マシュー・グラハム氏は言う。氏はLIGOやVirgoチームのメンバーではない。
今回検出されたブラックホール合体は、いくつかの点で、科学者たちを興奮させている。一つは、合体でできたブラックホールが、私たちがまだ観測できていなかった不可解な穴を埋める存在だったこと。太陽質量の数十倍の「恒星質量ブラックホール」や、太陽質量の数百万〜数十億倍の「超大質量ブラックホール」はこれまでの観測で見つかっていたが、太陽質量の100〜10万倍の「中間質量ブラックホール」は見つかっていなかった。今回の合体でできたブラックホールの質量は太陽質量の約142倍で、初めて発見された中間質量ブラックホールとなった。
「これで決着がつきました。中間質量ブラックホールは実在するのです」と、LIGOチームに所属する米ノースウェスタン大学の物理学者クリストファー・ベリー氏は言う。
しかし、ベリー氏らがより強い関心を寄せているのは、衝突によってできた新しいブラックホールではなく、最初の2つのブラックホールのうちの大きい方、すなわち太陽質量の約85倍のブラックホールだ。
「衝撃的です。この質量のブラックホールは理論的には存在しないことになっているからです」とベリー氏。
想定外のブラックホール
太陽の85倍の質量のブラックホールが「ありえない」理由は、恒星の死についての理論と関係がある。
もともと恒星は、バランスのとれた天体だ。自分自身の重力によって収縮しようとする一方、内部の核融合反応で発生した光が外に出ようとする力が恒星を外に押し戻している。
しかし、質量の大きい恒星の中心部はときに非常に高温になり、このバランスを崩してしまうことがある。光子と呼ばれる光の粒子が十分なエネルギーを得ると、電子と陽電子（電子の反粒子）の対になる。この変化により、恒星の中心部の圧力が一時的に低下し、収縮して高温になるのだ。
現在の理論では、恒星の質量が太陽質量の約60〜130倍である場合、収縮と加熱により核融合反応が暴走して対不安定型（ついふあんていがた）超新星爆発が起こると予想されている。このタイプの爆発が起こると、恒星は完全に破壊されてしまい、ブラックホールを形成することはできない。
しかし不思議なことに、今回衝突したブラックホールのうち大きい方の質量は「対不安定型超新星爆発を起こすと予想される範囲内にあります」とベリー氏は言う。つまり、1つの恒星の爆発によって、こうしたブラックホールが形成されるはずがないのだ。
「太陽の52〜133倍の質量のブラックホールが見つかったら、それは1つの星の死体ではありません」と、ブラックホールの専門家である米エール大学の理論天体物理学者プリヤムバダ・ナタラジャン氏は語る。氏は今回の研究には参加していない。「ブラックホールがこの質量になるしくみはいくつもあることを自然は教えてくれています」
2段階の合体？
LIGO-Virgoチームが科学誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」に発表した別の論文では、今回のブラックホールの合体と、その元となった奇妙なブラックホールの形成過程について、いくつかのシナリオが検証されている。最も有望そうな仮説は、合体したブラックホールのうち少なくとも1つが、小さな2つのブラックホールの合体によって形成されたというものだ。（参考記事：「ブラックホールが中性子星を食らう瞬間、初観測か」）
米ペンシルべニア州立大学の天体物理学者スタイン・シグルドソン氏は、今回の研究には参加していないが、「私が気に入っているのはこのシナリオです」と言う。
ナタラジャン氏は別の考えをもっている。彼女が2014年に学術誌「サイエンス」に発表した論文によると、初期の宇宙では、小さなブラックホールがガスに包まれた星団のまわりをランダムに動き回りながら大量のガスをのみ込むことで、みるみるうちに成長する可能性があるという。この仮説にもとづいて計算を行ったナタラジャン氏は、ちょうどいい星団があれば、太陽質量の約50倍と75倍のブラックホールのペアが誕生し、それらが合体する可能性があるとしている。（参考記事：「ブラックホールが謎の天体をのみ込んだ、重力波で初検出」）
「ですから私は非常にワクワクしています！」と彼女は言う。
科学者たちは、GW190521の検出をきっかけに多くの理論研究が行われるに違いないが、その謎を解くためには、LIGOとVirgoが同様の衝突をほかにも検出する必要があると言う。「1回しか観測できなければ、たまたま良い条件が揃ったのだろうということで片付けられてしまいます」とシグルドソン氏。「何回か観測されれば、モデルの構築が始まります」
