GW190521：これまでに観測された最も大きなブラックホール合併

GW190521：これまでに観測された最も大きなブラックホール衝突
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何を観察しましたか？
2019年5月21日、 高度なLIGO と高度な乙女座の 検出器は、異常なペアのブラックホールの合体からの重力波信号を観測しました 。GW190521という名前の信号は、これまでに観測された他のバイナリーブラックホールの合併よりも、持続時間が短く、低い周波数でピークに達しました 。
バイナリブラックホールマージャーからの信号がAdvanced VirgoおよびAdvanced LIGOの感度帯域で費やす時間間隔は、バイナリシステムの総質量に反比例します。GW190521の場合、この時間間隔はわずか0.1秒で、たとえばGW150914よりもはるかに短く 、最初に検出されたバイナリブラックホールの合併が検出されました。同様に、バイナリブラックホールマージャー信号が最大値に達する周波数も、バイナリの総質量に反比例します。GW190521の場合、このピーク周波数は約60 Hzであり、ピーク周波数が約150 HzであったGW150914の場合よりもはるかに低かった。そのため、LIGOとVirgoの手に非常に大きなブラックホールのペアがあることが最初から明らかでした（図1を参照）。


図2は、GW190521を生成したブラックホールの測定質量を示しています。これら二つのブラックホールの大きい方が約85倍であった 太陽の質量 （符号Mを付し☉小さなブラックホールが近い66 Mに登録されている間）☉。これらのオブジェクトは両方とも、これまでにVirgoとLIGOによって検出されたどのマージブラックホール よりもはるかに巨大です。 さらに、小さなブラックホールでさえ、これらのマージイベントで形成された多くの残余ブラックホールよりもすでに巨大です（図3を参照）
。
GW190521については、合併後の残骸ブラックホールは約142でM「の重さ」、☉最大のブラックホールのLIGO、乙女座のリストの前でだけでなく、それを置きます。この残余の質量は、結合した2つのブラックホールを合わせた質量よりも約8M☉少なくなります。この質量差は、重力波信号のエネルギーに変換されました。

なぜGW190521はそれほど興味深いのですか？
GW190521を生み出した非常に大きなブラックホールの塊は、単に自慢する権利以上のものを意味します。彼らはブラックホールの形成に関する私たちの理解に挑戦し、重力がどのように機能するかの基本を理解するためのユニークな実験室として機能します。

大きなブラックホールを作る
天文学者はブラックホールを質量に従って分類します。この質量スペクトルの異なる端にあるブラックホールは非常に異なる方法で形成されるため、これは意味があります。すべてではないにしても、ほとんどの中心にある大きな銀河は、太陽の数十万から数十億倍の質量を持つ「超巨大」ブラックホールです。

私たち自身の天の川銀河の中心 には、太陽の質量の約400万倍のブラックホールがあり ます。これらのモンスターのブラックホールがどのように形成されるかは、少し謎のままです。しかし、彼らの形成プロセスは、宇宙がはるかに若いときに始まり、ブラックホールがそのような大きなサイズに成長する時間を与えました。
質量スペクトルのもう一方の端には、 「星の質量」のブラックホールがあり、これは超新星爆発中に高質量星の崩壊するコアから形成されると考えられています 。恒星の質量ブラックホールは、太陽の質量の数倍から数十倍の範囲の質量を持ち、これらのオブジェクトのペアは、これまでにVirgoとLIGOによって観測されたブラックホールの合併を構成しています。
恒星の質量と超大質量ブラックホールの間には、「中間質量」ブラックホールの神秘的な領域があり、 質量は太陽の100倍から約100,000倍です。これまでの中間質量ブラックホールの明確な観察はありませんが、それらがどのように形成されるかについてはいくつかの異なるシナリオがあります。しかし、望遠鏡や重力波検出器の観測能力が向上しているため、最近、中間質量ブラックホールの発見が本格化しています。
質量の大きい星の内部の仕組み、およびブラックホールの形成方法に関する理論的な理解に基づいて、太陽の質量の約65から120倍の質量を持つブラックホールは、崩壊する星では形成できないと考えられています。したがって、GW190521はパーティーをクラッシュさせます。マージされた大きなブラックホール（「プライマリ」ブラックホール）の質量が、恒星の崩壊によってブラックホールが直接生成されるとは予想されない間隔で正方に位置するためです。さらに、マージ後の残骸が生成されます。中間質量ブラックホールとして分類できるブラックホール。
GW190521のLIGO-Virgoの観測は、星が 大きな質量のブラックホールを形成するか、または他の手段によって一部の LIGO-Virgoブラックホールが形成されることを示唆しています。別のブラックホールの 合併を経て、さらに大きなブラックホールを形成します。この複数の合併シナリオでは、複数の合併イベントが発生するのに十分な他のブラックホールが近くにある特別な環境でブラックホールが形成される必要があります。天文学者は 、そのような特別な環境の考えられる例として、星の密集したクラスター または活動銀河核の円盤を 提案してい ます。
GW190521の観察はまた、中間質量ブラックホールレルムが恒星質量ブラックホール合併の残骸によって部分的に埋められる可能性があることを示唆しています。同様に、超大質量ブラックホールもこの方法で形成される可能性があります。

重力の理解をテストする
重力がどのように機能するかについての理論的な理解は、アインシュタインの一般相対性理論、または「GR」によってよく説明されてい ます。物理学者はGRを使用して、ブラックホールのマージからの重力波信号を予測します。次に、それらの予測は、おとめ座およびLIGOデータの分析に役立ちます。フリップ側では、重力波信号の観察は、理論自体によって行われた予測を試験するために使用することができ、GRからの任意の偏差の兆候を探すために向かうかもしれない点すなわち 重力の代替理論。
物理実験室として重力波を使用することは新しいことではありません。以前のLIGO-Virgoブラックホールマージャー観測がGRの理解をテストするために使用されました 。では、GW190521の違いは何でしょうか？


2つのブラックホールの衝突からの重力波信号は、3つの異なる領域を通過し ます（図4を参照）。最初に、2つのブラックホールが十分に分離され、互いの周りを周回する「インスパイラル」があります。次に、2つのブラックホールが結合する「合併」があります。最後に、「リングダウン」があり、残りのブラックホールが打たれたベルのように「リング」してから、安定した最終状態に落ち着きます。
前述のように、ブラックホール信号はLIGO-Virgoデータでさまざまな時間にわたって観測でき、ブラックホールの質量に応じて、さまざまな周波数でピークに達します。その結果、検出器は、バイナリの質量に応じて、重力波信号のさまざまな部分に敏感です。低質量のブラックホールからの信号は、インスパイラルフェーズとマージフェーズでより明確に観測されます。一方、GW190521を生成したブラックホールの質量がはるかに大きいため、重力波信号の遅いマージとリングダウンフェーズを研究する最良の機会が得られます。
これまでに観測された他のすべてのブラックホール信号と同様に、GRはGW190521によって提示されたテストに合格しました。そのようなテストの1つは、信号のリングダウン部分をインスパイラルおよびマージ部分とは別に分析し、それらが互いに整合しているかどうかをチェックすることでした。いくつかの代替重力理論によって存在すると予測される信号の余分な特徴を検索し、信号自体のソースについて他の仮説（つまり、2つのブラックホールの合併とは対照的）をテストするテストも実行されました。これらのテストはいずれも、GW190521がGRで説明されている物理法則に従う2つのブラックホールの合併から生じたという解釈に矛盾することはありませんでした。

概要
GW190521は、ブラックホールがどのように形成されるかについての知識の境界を押し広げ、重力を最も極端に研究する新しい方法を提供する、記録を破る重力波観測です。また、日本の LIGO（LIGO Indiaを含む）、Virgo、およびKAGRAとの今後の観測キャンペーン中に発見される可能性のある大量のブラックホール合併の存在を示唆してい ます。
恒星質量のブラックホールの人口の上限を調査することで、ブラックホールを生成するプロセスとそれらが存在する環境をより明確に把握することができます。GW190521は、これまでに観測された最大のブラックホールペアとしてそのとまり木を楽しむことができますが、快適すぎるはずはありません。LIGO、Virgo、およびKAGRAは、さらに改善された感度で重力波を求めて空を検索し続けます。また、将来の検出器は、より多くの重いブラックホールを隠す必要がある低周波数で特に強力になります。すでに計画されている新しい検出器には、地球上 にある アインシュタイン望遠鏡と 宇宙探査機 、宇宙空間にあるLISAがあります。レコードは壊されるように作られています！