次世代重力波観測装置は100～600太陽質量のブラックホール合体を検出できる可能性がある

人間は生まれながらにして不思議な生き物だ。次の谷、次の地平線、私たちすべてが包まれているこの広大な宇宙について、次に理解できることは何だろうと常に考えている。

2015年、私たちはついに、2つの恒星質量のブラックホールの遠方での合体から、待望され、長い間理論化されてきた重力波を初めて検出した。しかし今、私たちはもっと多くのことを知りたいと思っている。

基本的な疑問に対する待望の答えのように、何か新しいものを発見するたびに、私たちの知識の地平は移り変わる。最初の重力波（GW）がそうであったように。私たちはしばし立ち止まり、1世紀以上前にこの現象を予言したアルバート・アインシュタインの先見的な科学的頭脳を認め、次に何が起こるのかを考えることにした。

重力波に関しては、確認されたものから確認待ちの候補まで、何十もの重力波が検出されている。しかし、そのすべてに共通しているのは、恒星質量ブラックホールの合体によるものだということだ。なぜなら、Virgo/LIGOはそれ以上の質量のブラックホールの合体を検出できないからだ。合体のスピードが遅すぎるのだ。

つまり、重力波の地平線がシフトしたのだ。今、我々は中質量ブラックホールの合体を検出したい。そのためには、次世代の重力波天文台が待たれる：アインシュタイン望遠鏡とコズミック・エクスプローラーである。

中間質量ブラックホールの合体について、何がそんなに重要なのだろうか？

中間ブラックホールは検出が難しい。その質量は100から100万太陽質量の間である。天体物理学者は、間接的な証拠に基づいて、いくつかの候補を見つけたに過ぎない。しかし、天の川銀河のような銀河の中心にある超大質量ブラックホール（SMBH）の種である可能性が高いため、中間ブラックホールは重要なのだ。

新しい論文は、中間ブラックホールの合体やその結果として生じる重力波を検出することによって、中間ブラックホールを調査する方法について考察している。この論文は、アインシュタイン望遠鏡とコズミック・エクスプローラーという2つの新しい天文台に注目している。

論文は “Identifying heavy stellar black holes at cosmological distances with next generation gravitational-wave observatories.（次世代重力波観測装置による宇宙論的距離の重い恒星ブラックホールの同定）”である。筆頭著者は、カーディフ大学重力探査研究所長のStephen Fairhurst氏だ。

この論文では、1億から6億太陽質量を持つ連星ブラックホールの検出に焦点を当てている。現在の検出器では、このような事象を見つけるのに苦労している。

「アインシュタイン望遠鏡（ET）とコズミック・エクスプローラー（CE）に代表される次世代地上GW観測衛星は、より広い質量範囲とより深い赤方偏移で、合体するBBHのGWシグネチャーを検出する展望を開くでしょう。最初の星が輝き始めたz ~ 30まで、そして100?1000<太陽質量>の中質量領域まで、BBHの観測領域を広げることができます」と、論文では述べられている。

恒星質量ブラックホールは、大質量星が自重で崩壊するときに形成される。また、非常に初期の宇宙では、ガス雲が直接ブラックホールに崩壊していた可能性もある。これは、天体物理学者がブラックホールについてまだ知らない多くのことの一例である。

ブラックホール合体の研究で重要なのは、対不安定質量ギャップである。

対不安定質量ギャップとは、対不安定超新星で観測される質量のギャップのことである。この現象は、質量が130から250太陽質量の星でのみ起こる。その質量範囲よりもはるかに小さい質量でブラックホールが形成されることはわかっているが、約65～135太陽質量の間にはブラックホールが形成されないギャップがある。

「我々が調査しているBBHの質量のいくつかは、いわゆるペア不安定質量ギャップ（しばしば上部質量ギャップまたはペア不安定超新星（PISN）ギャップと呼ばれる）の中にある。このギャップは、孤立星の進化モデルにおいてBHが形成されないと予想される、約65太陽質量と135太陽質量の間にあるのです」。

質量ギャップの性質と正確な範囲は不確かである。異なる見積もり、モデル、理論によって、微妙に異なる数字が導き出される。しかし、それは存在し、ブラックホールに関する我々の包括的な疑問や、銀河のSMBHがどのようにしてこれほど巨大になったのかに関係している。

「これらの観測が、対不安定質量ギャップの存在の不確実性を狭めることに与える影響と、高zクェーサーを駆動する超大質量ブラックホールの成長の種となりうる最初の恒星ブラックホールの形成に与える影響について議論します」と研究者たちは書いている。

アインシュタイン望遠鏡は、欧州連合（EU）のいくつかの国によって検討されている重力波天文台案である。より正確な重力波天文学を約束するものである。

LIGOが4kmであるのに対し、10kmのアームが必要だ。アインシュタイン望遠鏡は地下に建設され、地震ノイズや近隣の移動物体からのバックグラウンドノイズを低減する。また、アインシュタイン望遠鏡は極低温で冷却される。これらによって性能が向上し、中質量ブラックホールの合体によるGWを検出できるようになるはずだ。

「ETの感度と周波数帯域を利用することで、恒星と中質量ブラックホールの全集団に宇宙の全歴史にわたってアクセスすることができ、その起源（恒星か原始か）、進化、人口動態を理解することができる」とアインシュタイン望遠鏡のウェブサイトは主張している。

コズミック・エクスプローラーは、米国が検討中のもうひとつの第3世代GW天文台案である。コンセプト・デザインでは、2つの独立した施設を建設することになっている。1つは40kmのアームを2本、もう1つは20kmのアームを2本設置する。他の技術の進歩もその感度に貢献しているが、長いアームが重要な原動力となっている。

「アドバンストLIGO、アドバンストVirgo、Kagraでかろうじて検出可能な天体は、驚くべき精度で分解される。その結果、検出される天体の数は爆発的に増え、年間数百万個に達し、観測の忠実度は物理学と天文学に広範囲な影響を与えるだろう」とCEウェブサイトは述べている。

この2つの天文台は、重力波の空の理解をどのように変えるのだろうか？

この2つの検出器によって、太古の宇宙におけるブラックホールの合体を見つけることができる。「すべての場合において、次世代重力波ネットワークが高赤方偏移ブラックホール形成を探るためのユニークな能力を提供することが示されています。これらの系を観測するための検出器感度の最も重要な特徴は、検出器の低周波感度です」。

大質量合体は、現在の重力波観測所が検出できるよりも低い周波数で重力波を放出するので、これは非常に重要である。