観測史上最大のブラックホール同士が衝突、国際チームが重力波を観測

（ＣＮＮ） 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。

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。

「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」