レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) は、2 つのブラック ホール間の異常に強い衝突を検出し、物理学者が 1971 年にスティーブン ホーキング博士によって提案されたブラック ホール領域定理を検証できるようになりました。9 月 10 日、関連する研究結果が Physical Review Letters に掲載されました。

 

2 つのブラック ホールが合体して宇宙を伝わる重力波を生成する図。画像出典: マギー・チャン for Simons Foundation

この定理は、2 つのブラック ホールが合体するときに作成されるブラック ホールの事象の地平線、つまり光さえもブラック ホールの制御から逃れることができない境界は、元の 2 つのブラック ホールの面積の合計よりも小さくなることはできないと述べています。この定理は熱力学の第 2 法則を反映しています。熱力学の第 2 法則は、エントロピー、つまり物体の内部の無秩序は決して減少しないと述べています。

ブラックホールの合体は宇宙の構造を歪め、光の速度で宇宙を伝わる重力波と呼ばれる時空の小さな変動を引き起こします。地球上には 5 つの重力波観測所があり、原子核よりも 1 万分の 1 小さい重力波を観測しています。これらには、米国の 2 台の LIGO 検出器のほか、LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) と呼ばれる国際協力によって運営されているイタリアの Virgo 検出器、日本の KAGRA、ドイツの GEO600 が含まれます。

GW250114と名付けられた今回の衝突は、2015年に初めて観測された重力波を発生させた衝突とほぼ同一である。どちらのブラックホールも太陽の30倍から40倍の質量で、13億光年離れたところで発生した。

今回、アップグレードされた LIGO 検出器は 2015 年に比べて 3 倍感度が向上したため、衝突によって生成された波を前例のない詳細で捉えることができます。これにより研究者らは、ブラックホールが合体した後に事象の地平線の領域が実際に大きくなったことを計算して確認することができ、それによってホーキングの定理が検証された。

LVKチームの一員である英国ポーツマス大学のローラ・ナトール氏は、ブラックホールが衝突すると、鐘のような重力波が発生すると述べた。以前は、これらの倍音は消散が早すぎて、ホーキング理論を検証するために必要な衝突前後の事象の地平線の面積を計算するのに十分なほどはっきりと観察できませんでした。最初に検出された衝突に関する 2021 年の研究では、この理論が 95% の信頼度で裏付けられていましたが、新しい研究ではその信頼性が説得力のある 99.999% にまで高まりました。

科学者たちは重力波を観測してきた10年間で、約300回のブラックホール衝突を記録した。しかし、これまでに検出された他の重力波の2倍の大きさであるGW250114ほど強力かつ鮮明に捉えられたものはなかった。

GW250114 の電波が地球に到達したとき、LVK 共同研究によって監視されていた他の検出器ではなく、LIG のみが動作していました。これはホーキング博士の理論の検証には影響しませんが、研究者がこれらの波が空のどこから発生するかをより明確に決定できないことを意味します。

同じくポーツマス大学のLVKチームのイアン・ハリー氏は、LIGOや将来稼動予定の他の天文台のアップグレードにより感度が向上し、ブラックホールの物理学をより深く研究できるようになるだろうと述べた。 「すべての信号をキャッチできるわけではないかもしれませんが、このようなイベントはまた開催されるでしょう。次のアップグレードラウンドは2028年になるかもしれませんが、同様のことが起こるでしょう。そしておそらくその頃には、私たちが本当に深く掘り下げることができるレベルまで感度が高まっているでしょう。」

この発見は量子重力の研究に新たな道を切り開き、物理学者らはそれが一般相対性理論と量子物理学を統合することを期待している。ナットール氏は、最新の結果は一般相対性理論と量子力学が引き続きうまく連携していることを示しているが、将来的にはいくつかの違いが現れることが予想されると述べた。

「ある時点で、物事があまりうまく連携していないことに気づき始めるかもしれません。そのときは、機器の感度が上がるにつれて、非常に近い信号がデータに非常に大きく現れるようになります。」とナトール氏は言いました。

LVK の最新データにより、科学者たちは、1960 年代に数学者ロイ・カーが提案した方程式を確認することもできました。この方程式では、ブラックホールは質量とスピンという 2 つの指標だけで特徴づけられると予測されています。本質的に、同じ質量とスピンを持つ 2 つのブラック ホールは数学的に同一です。 「GW250114の観測のおかげで、これが真実であることがわかりました。」

関連論文情報：https://doi.org/10.1103/kw5g-d732