深宇宙での不思議なブラック ホールの衝突は、天体物理学者を困惑させます

ブラック ホールの衝突は、宇宙で最も極端な現象の 1 つです。 目に見えない 2 つの巨大な物体が互いに渦を巻くと、時空の構造が乱れ、宇宙全体に波紋が発生します。 これらのさざ波（重力波）は最終的に地球に流れ込み、米国、イタリア、日本の非常に敏感な検出器がそれらを「聞く」ことができます。

そのような波紋の 1 つが、2020 年 1 月 29 日の早い時間に地球上を洗い流しました。これは、米国のレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) とイタリアの 3 つ目の検出器である乙女座の 2 つの検出器によって検出されました。 検出器の特徴的なチャープは、1 つは太陽の質量の約 40 倍、もう 1 つは太陽の 22 倍の質量を持つ 2 つのブラック ホールが衝突したことを示唆していました。

新しい研究では、 水曜日にNature誌に掲載されました、研究者は、GW200129と呼ばれるこの衝突からの波を調べました。これは、最初に発見されたとき、独特の信号を示しました。 波のチャープは、互いに衝突したブラックホールが軌道上で「ぐらついている」ことを示唆しているように見えました。 このぐらつきは、科学的には「歳差運動」として知られており、ブラックホールでこの効果が見られたのはこれが初めてです。

しかし、他の重力波科学者は、信号がこの現象の証拠を提供するかどうか確信が持てません。 代わりに、GW200129 を最初に発見した重力波検出器の 1 つの不具合によってデータが影響を受けるのではないかと考えています。

GW200129 で何が起こっていますか?

まずは、その「ぐらつき」について。 歳差運動を視覚化するには、地球が太陽の周りを回っていると考えてください。 私たちの小さな青緑色の惑星が、平らな平面上で大きくて熱いガスの球の周りを回転していると想像するでしょう。 惑星は太陽の周りを「上」も「下」もずれることなく公転しています。 デイトナ 500 サーキットのレースカーのように太陽の周りを動き回るだけです。 （当たらないようにしましょう 地球の軸歳差運動に ここ）

2 つのブラック ホールは同じ関係を共有しており、きれいで平らな軌道面上で互いの周りを回転し、互いに近づくにつれて重力波の形でエネルギーを放出します。 しかし、「歳差運動」をしているブラック ホールでは、軌道面が時間とともにゆがんでいます。 アインシュタインの一般相対性理論の破ることがないように見える理論は、個々のブラック ホールが回転する方法 (そうです、回転する) が歳差運動に影響を与える可能性があることを示唆しています。 スピンがずれていると、軌道面が回転する可能性があります。

あなたはできる Vijay Varma によって作成されたこの例を参照してください、カリフォルニア工科大学の天体物理学者、彼がツールのおかげで 2018年の論文で作成 上記のGIFで。

理論的には、天体物理学者は重力波信号を研究することで連星ブラック ホールの歳差運動を「見る」ことができますが、 非常に微妙. 新しい研究の著者は、このとらえどころのない兆候をデータに捉えたと信じています。つまり、いたるところでぐらつき、傾いているブラックホール連星を発見したのです。

英国のカーディフ大学の天体物理学教授であり、この新しい研究の筆頭著者である Mark Hannam は、次のように述べています。 「これは、2015 年の最初の検出以来、私たちが観察したいと思っていたものです。なぜなら、それは、ブラックホールの合体という極端な体制ではまだ見られていない一般相対性理論の効果であり、私たちに次のことを教えてくれる可能性があるからです。ブラックホールがどのように形成されるかについての多く。」

ブラックホールは回転できると言ったのを覚えていますか？ 一般に、星が崩壊するときに形成されるブラック ホールは、歳差運動を伴わずにかなりゆっくりと回転します。 しかし、2つの形成によって作成されたブラックホール 他の 衝突するブラック ホールは、非常に異常なスピンと極端な速度を持つ可能性があり、システム全体を混乱に陥れる可能性があります。 したがって、Hannam は、「1 つの可能性は、2 つのブラック ホールの以前の合体で、より大きなブラック ホールが生成されたということです」と述べています。

かなり注目に値しますが、ケースはクローズされていますか? そんなに早くない。

スペーストリクスの不具合

信号なのに 五月 他の天体物理学者は、GW200129 はそれほど刺激的ではないものである可能性があると指摘しています。エラーです。

カリフォルニア工科大学の天体物理学者であるイーサン・ペイン氏は、「GW200129 の場合、LIGO のリヴィングストン検出器にかすかな、しかし現在の不具合がありました」と述べています。 Payne は最近、プレプリント記事を執筆しました。 6月にウェブサイトarXivにアップロードは、GW200129 を「奇妙なケース」として説明し、そのようなグリッチが信号に影響を与えている可能性があるという議論を提示しています。

重力波検出器では、信号が不明瞭になるグリッチやノイズが発生することがあります。 ほとんどは、重力波がどこで発生したかについての私たちの理解に影響を与えないとペインは言いました。 科学者は、多少の工夫を加えることで、ノイズとグリッチを説明できます。 これは、衝突する 2 つの中性子星からの重力波を最初に検出した場合に当てはまりましたが、科学者はモデル化してグリッチを「差し引く」ことができました。

GW200129の場合、重力波検出器の別のセンサーを使用して、新しい研究でHannamによるグリッチを差し引いた. 「グリッチの除去は完璧ではなかったかもしれませんが、残ったものが私たちが見た歳差運動を模倣できる可能性は非常に低いです. 彼は、検出器からのデータを準備するために行われたすべての開発と、彼のチーム自身の分析で行われたチェックのために、彼のチームの結果に自信を持っていると言います.

しかし、不確実性は残ります。 ペインの研究は、科学者が行った巧妙な手口のいくつかが、不具合のすべての証拠を取り除くことができることを示唆しています。 私が話した他の天体物理学者は、分析がこれを完全に説明していないことを示唆しています.

オーストラリアのモナッシュ大学の天体物理学者であり、LIGO-Virgo 共同研究のメンバーであり、この研究には関与していない Eric Thrane 氏は、次のように述べています。[‘s paper]、彼らが何をしようとしているのか、彼らが実証したかどうかはわかりません。」

GW200129 信号の分析、その歳差運動の決定、新しい研究の執筆、Nature での出版に受理されるまでのプロセスには長い時間がかかることに注意してください。 Hannam と彼の共著者は、LIGO の不具合が完全に解決されるずっと前に、この記事を準備していました。 新しい論文では、ペインと彼のチームが行った分析によって提起された問題については議論されていませんが、ハンナムは「彼らの方法にはまだ開発が必要です」と述べています。

これは実際の科学です。 あるチームはデータポイントを説明し、別のチームはそれについて注意する必要がある理由を提供します。 今のところ、私が話した天体物理学者は、GW200129 が私たちが発見した最初の歳差運動ブラック ホール連星であるということから遠ざかっているようです。 しかし、科学者がこの現象を明確に理解するのは時間の問題です。

LIGO、Virgo、および Kagra 検出器は、2023 年初めに 4 回目の観測を開始する予定です。過去 2 年間で、検出器は大幅にアップグレードされ、感度が向上し、さらに微光を検出できる可能性が開かれました。宇宙からの信号。 「年間 200 ～ 300 GW 増加する可能性が高いため、これらのシステムをすぐに理解できるようになる可能性は十分にあります。」 ハンナムは言った。

それに伴い、特にグリッチとノイズの分類に関して、さらなる課題が発生します。

「私たちの検出器が改善されるにつれて、予想される観測数が増加するため、グリッチで汚染されたイベントの数が急増し、グリッチをモデル化するための慎重な作業が必要になります」と Payne 氏は述べています。