アインシュタインの理論が正しいことが、宇宙の壮大な現象を観察している中で改めて確認された。

カーディフ大学の研究者らが、これまで観測されたことのある100億倍の速さで衝突するブラックホール同士の軌道の中に、アインシュタインの重力理論が予言する特異なねじれ運動を発見したのだ。

極めて速い歳差運動を初観測

一対のブラックホールは互いに回転しながら接近し、重力波を取り除く。しかし、歳差運動の場合と同様に、アインシュタインの一般相対性理論では、ブラックホールが歳差運動や移動に影響を与える方法が示されている。また、アインシュタインは1916年に理論の中で重力波を予言している。

ブラックホールは、「歳差運動」と呼ばれるこのねじれ運動で、極端なふらつきを見せていたのだ。この現象は、ブラックホールにおいては初めて確認されたものだ。このふらつきの速さは、アインシュタインが一般相対性理論の中で行った計算の一例で、1秒間に3回という速さで計算されている。

この研究は、学術誌「ネイチャー」に掲載された。

アインシュタインが予言したこの現象を科学者が目撃したのは初めてで、ブラックホールで歳差運動が起きていることを確認したのも初めてだ。今回の結果は、2つのブラックホールが衝突するという極端な事象を通じて、彼の理論を検証したものである。このような天文空間領域は、二重ブラックホール連星とも呼ばれ、2つのブラックホールが互いに接近して周回する連星系である。

英国カーディフ大学重力探査研究所の教授で、この研究の共著者であるマーク・ハナム（Mark Hannam）氏は、「私たちは、連星系ブラックホールがこのようなことをしうるとずっと考えてきました。私たちは、最初の重力波の検出以来、その例を見つけたいと願ってきました。5年間、80以上の別々の検出を待たなければなりませんでしたが、ついに1つ手に入れました！」と語っている。

発生した重力波

ブラックホールが衝突すると、波紋が宇宙全体に広がる現象が発生する。この波紋が重力波となった。衝突後、ブラックホールは合体し、GW200129と呼ばれる重力波の信号が放出された。この波は、1秒間に3回の歳差運動をしていた。

歳差運動は、回転している物体が時間によって変化するときに起こる。このような観測は、以前にもお互いの周りを回る中性子星で見られたが、それらの他の歳差運動は非常に弱く、1年を通して数回しか観測できなかった。今回のブラックホールの歳差運動は、歴史上初めてかなり顕著に現れた。

「これは、以前の測定で見つかったものより100億倍速く、空間と時間が完全に狂ったように歪む、アインシュタインの理論の最も極端な領域です」と、ハンナム氏は述べている。

収集された情報

カーディフ大学の研究者たちは、イタリア、米国、日本にある3つの重力波検出器が2020年に収集したデータを検証することで、歳差運動を特定することができた。研究者たちは、歳差運動がないことを示す事前の分析で行くのではなく、集まったデータのノイズから歳差運動を検出することができたので、ノイズの最も良い説明は、ブラックホールが「一般相対性理論で許される上限」で回転して歳差運動を引き起こしたためであることを発見したのだ。

2つの星の極端な衝突・合体は、前例のない説明であり、アインシュタインの理論が正しかったことを証明する意義がある。

研究者たちは、これが本当に珍しい現象なのか、それとも思ったよりありふれた現象なのかを確かめるために、さらに衝突するブラックホールを探すことになるだろう。

研究の要旨

一般相対論的な現象であるスピン誘起軌道歳差運動は、強磁場重力下ではまだ観測されていない。重力波による連星系ブラックホール観測は、天体物理学的な連星系に歳差運動する連星が含まれていることが予想されるため、有力な候補となる。しかし、これまでLIGOやVirgoによる84回のBBH観測において、軌道の歳差運動が確認されたことはなかった。ここでは、LIGO-Virgo-Kagra重力波信号GW200129における強磁場歳差運動の測定結果を報告する。この連星の軌道は、これまでの連星パルサーの弱磁場測定結果よりも10桁も速い速度で歳差運動していることが分かった。また、主ブラックホールは高度に自転していると考えられる。現在の連星系個体数の推定値からすると、GW200129のようなシグナルは非常に珍しく、現在の多くの連星形成モデルに対する直接的な挑戦となっている。