スペインのサンティアゴ・デ・コンポステーラ大学高エネルギー物理学研究所（IGFAE）率いる国際チームは、ブラックホールの合体後の「反動」の速度と方向を初めて共同測定した。この成果はNature Astronomy誌に掲載されました。研究によると、重力波はエネルギーだけでなく運動量も運び、ブラックホールが合体した後に最後のブラックホールに「キックオフ」反動を与え、かなりの速度で宇宙を移動できるようにしている。
重力波は、1916 年の一般相対性理論でアインシュタインによって予測された時空の波紋です。ブラックホールのような超高密度・大質量天体が激しく衝突すると、そのゆらぎが引き起こされ、宇宙の四方八方に広がります。重力波は系のエネルギーと運動量を運ぶため、波の放射が空間分布において完全に対称でなくなると、結果として生じるブラックホールは「アンバランスな」推力を受けて反動します。これは、「ブラックホールが蹴られた」とも鮮やかに呼ばれます。反動の強さは最初の 2 つのブラック ホールの質量とスピンに密接に関係しており、反動の方向は空間内のシステム全体の幾何学的構成に依存します。
これまで、科学者は主に重力波信号から軌道傾斜角などのいくつかの幾何学的パラメーターを測定できました。もう 1 つの重要な角度、方位角を正確に取得することは困難でした。この研究チームは、重力波の「高次モード」には、これまで読み取りが困難であった幾何学的情報が含まれていることを発見しました。この情報は、この失われた角度を復元し、反動の 3 次元方向を計算するために使用できます。
研究者らは、2019年にAdvanced LIGO天文台とおとめ座天文台によって共同検出された重力波イベントGW190412を、この方法を検証するためのサンプルとして使用した。このイベントでは、2 つのブラック ホールの質量は明らかに等しくないため、信号内に明確に認識できる高次モードの特徴が示され、詳細な分析に非常に適しています。アインシュタインの方程式に基づく正確な数値シミュレーションを通じて、研究チームは、合体したブラックホールの反動速度が秒速50キロメートルを超えると計算した。これは、一部の高密度星団（一部の球状星団など）から脱出するには十分な速さである。統計分析によって得られるベイズ係数は約 21 で、これは約 95% の信頼水準に相当し、この結論を強力に裏付けます。
速度を決定する際、研究チームは反動方向をシステムの軌道軸や地球観測方向などの基準方向と比較しました。その結果、「キック」は軌道面に沿ったものでもなく、地球に直接向けられたものでもなく、両者の中間の方向にあったことが判明した。プロジェクト メンバーの 1 人であるフアン カルデロン バスティージョ教授は、「重力波信号はオーケストラのようなもの」と例えました。人の位置に応じて聞こえる「楽器」は異なり、この「音色の違い」は科学者が三次元空間でのブラックホールの移動軌跡を再構築するのに役立ちます。ペンシルベニア州立大学のクスタブ・チャンドラ博士は、この手法は時空の「波紋」だけを使って数十億光年離れた天体の真の動きを再現することに等しいと指摘した。
著者は、このような正確な反動測定は、特殊な環境で起こるブラックホールの合体を研究するために特に重要であると述べた。たとえば、降着円盤を伴う活動的な銀河核では、ブラックホールの合体には可視光や電磁放射などの信号が伴う可能性があります。これらの閃光を観測できるかどうかは、反動方向と地球との相対的な幾何学的関係に大きく依存します。したがって、反動の方向を知ることは、天文学者が特定の重力波現象と電磁バーストが本当に同じ宇宙の出来事から来たのか、それとも単なる時間の偶然なのかを判断するのに役立ちます。
研究チームは、この研究は、重力波天文学が「ただ聴覚による合体が起こるだけ」という段階から徐々に脱却し、空間構造や事象の動的なプロセスを綿密にマッピングできる新たな段階に入ったことを示していると考えている。将来的には、検出器の感度が向上し、イベントサンプルが増加するにつれて、ブラックホールの反跳速度と方向を同時に測定することが日常的な方法となり、科学界がブラックホールがどのように宇宙で成長し移動するのか、そして銀河や大規模構造の進化を形作るのかをより明確に理解するのに役立つでしょう。