超大質量ブラックホールの合体過程の謎

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

宇宙の歴史の中で、銀河はますます巨大な構造へと合体してきました。銀河が合体すると、その中心にある超大質量ブラックホールも最終的に合体し、さらに巨大なブラックホールを形成します。

しかし、何十年もの間、天体物理学者を悩ませてきた疑問がある。超大質量ブラックホールはどのようにして互いに螺旋状に接近し、合体するのだろうか？計算によると、収束していくブラックホールがいわゆる最終パーセク（約1パーセク、つまり3.26光年の距離）に達すると、ブラックホールの進行は停止する。ブラックホールは基本的に、互いの周りを無限に回り続けるはずだ。

「渦巻き状のブラックホールの運動時間は、宇宙の年齢と同じくらい長いと考えられていました」と、ヴァンダービルト大学の天体物理学者スティーブン・テイラー氏は述べた。「ブラックホールの合体が起きないかもしれないと懸念されていました。」

ブラックホール連星が合体する証拠は蓄積されてきました。昨年、パルサータイミングアレイとして知られる脈動星の微妙な動きの観測により、宇宙における重力波のバックグラウンドブーンという音、つまり時空のさざ波が明らかになりました。これらの重力波は、互いに1パーセク以内の距離を周回する超大質量ブラックホールが合体寸前であることから発生する可能性が高いと考えられます。「これは、ブラックホール連星が最終パーセク問題を克服することを示す最初の証拠です」と、フロリダ大学の天体物理学者ローラ・ブレチャ氏は述べています。

それで、彼らはどうやってそれを実行するのでしょうか?

天体物理学者たちは新たな提案をしている。暗黒物質が2つのブラックホールから角運動量を奪い、それらを近づける可能性があるというのだ。

暗黒物質とは、宇宙に存在する未発見の物質の85%を指す用語です。銀河や宇宙構造に対するその重力的な影響は観測可能ですが、現時点ではそれが何なのか解明できていません。この目に見えない物質を構成する可能性のある、最も単純な仮説上の粒子は、ブラックホールの合体を促進する役には立たないでしょう。しかし今夏、カナダの物理学者グループは、「自己相互作用する暗黒物質」と呼ばれるより複雑なものがその役割を果たす可能性があると主張しました。これらの粒子は、超大質量ブラックホールを引きずり込み、ブラックホール同士の距離を1パーセク以内に落とす可能性があります。この説明が正しければ、「暗黒物質は私たちが考えていたほど単純ではないことがわかる」と、トロント大学の理論物理学者で論文の著者の一人であるゴンサロ・アロンソ＝アルバレス氏は述べています。

その後9月、別の物理学者グループが、ファジーダークマターと呼ばれることもある別のダークマター候補も同様に役に立つ可能性があると指摘した。

この謎に対する、より平凡な解決策も長年にわたり提唱されてきました。ありふれたものから奇抜なものまで、こうした数々の選択肢の中で、科学者たちはそれぞれの可能性を検証する方法を考案しています。

「現時点では、宇宙コミュニティの大半は、最終パーセク問題は解決済みだとほぼ当然のことと考えています」と、この問題の複数の解決策を研究してきたウェストバージニア大学の理論天体物理学者、ショーン・マクウィリアムズ氏は述べた。「唯一の疑問は、この問題を解決する最も効率的な方法は何なのかということです。」

2人でタンゴ

小さなブラックホールは、星ほどの密度で、近づきすぎた光さえも重力で捕らえてしまうほどの天体で、銀河全体に散在しています。これらは個々の星の重力崩壊によって形成されます。しかし、銀河の中心に見られる超大質量ブラックホールは、太陽の数十億倍もの重さを持つこともあり、より神秘的で影響力を持っています。周囲の銀河の形成と進化を何らかの形で導いているのです。

二つの銀河が合体すると、恒星、ガス、暗黒物質との重力相互作用により、二つの超大質量ブラックホールはゆっくりと互いに接近していきます。このプロセスは「動的摩擦」と呼ばれ、天体物理学者は1980年に初めてこの現象を記述しました。「これがブラックホールが接近する主な方法だと考えられています」と、ウィスコンシン大学マディソン校の天体物理学者ダン・フーパー氏は述べています。

しかし、ある地点（ブラックホールの質量によって、厳密にはパーセクの数分の1から数パーセクの範囲）で、動的摩擦は「あまり効果を発揮しなくなる」とフーパー氏は述べた。合体中の銀河の中心では、2つのブラックホールが物質を飲み込み、それを投げ飛ばし、隙間を掘り出す。その結果、星とガスの密度が劇的に低下し、ブラックホールは比較的何もない空間に取り残される。周囲に減速させるものがないため、ブラックホールはほぼ無限に互いの周りを周回するはずである。

「地球は太陽の周りを回っており、互いに落ち合うことはありません」とアロンソ＝アルバレス氏は述べた。これは二つのブラックホールにも当てはまるはずだ。「軌道には角運動量保存則があり、何かがエネルギーを抽出しない限り、ブラックホールは落ちていきません。」

アロンソ＝アルバレスらが7月のPhysical Review Letters誌で提唱したように、自己相互作用する暗黒物質がこの役割を果たす可能性がある。このタイプの暗黒物質は、いわゆる冷たい暗黒物質とは異なる。冷たい暗黒物質とは、仮説上の最も単純な種類の暗黒物質粒子で、重く、遅く、不活性である。冷たい暗黒物質は重力以外では何とも相互作用しないため、ブラックホールの重力の影響によって、ブラックホールが最終パーセクに到達するずっと前に、近傍から追い出されるはずだ。

しかし、自己相互作用する暗黒物質は、少なくとも一つの力が相互に作用する軽量粒子で構成されています。自己相互作用する暗黒物質粒子は、テーブルの上のビリヤードの球のように互いに散乱するため、容易に分散せず、ブラックホールの足元を引っ張って減速させると考えられます。「そこに留まり、摩擦を生み出します」とアロンソ＝アルバレスは言います。「ある種の粘性を持っています。」この摩擦によって1億年以内にブラックホールが合体し、最終パーセク問題が解決される可能性があります。

「超軽量」あるいは「ファジー」な暗黒物質は、質量が極めて小さい粒子で構成され、それらが集まって巨大な波を形成する。これらの粒子は銀河中心に集中し、ブラックホールとの摩擦を受けるため、ファジーな暗黒物質は「角運動量と軌道エネルギーを効率的に持ち去ることができる」と、韓国の中原大学の宇宙学者で、この考えを説明した9月のPhysics Letters B誌論文の共著者であるイ・ジェウォン氏は述べている。ブラックホールは、この暗黒物質を拡散させるのではなく、鐘のように振動させる。

オッカムの剃刀

超大質量ブラックホールの合体を説明するために、このような特異な物理学を持ち出す必要があると誰もが確信しているわけではない。「自己相互作用する暗黒物質が必要だとは言いません」と、イェール大学の理論天体物理学者プリヤムバダ・ナタラジャン氏は述べた。

別の可能性としては、星々が合体中のブラックホールを通り過ぎ、それらを合体させるのに十分な角運動量を奪い去るというものがあります。おそらく、他の星との相互作用を通じて、銀河系の他の場所からブラックホールの方向に星々がランダムに投げ込まれているのでしょう。「中心にある2つの超大質量ブラックホールに近づくこのような星が大量にあれば、より多くの角運動量を引き出すことができます」と、ハーバード大学の理論天体物理学者ファビオ・パクッチ氏は述べています。

しかし、モデル化により、最終パーセク問題を解決するために十分な数の星をブラックホールに向かって散乱させることは困難であることが示されました。

あるいは、それぞれのブラックホールの周りには小さなガス円盤があり、これらの円盤は、ブラックホールによって削り取られた空洞領域を取り囲むより広い円盤から物質を引き寄せている可能性もある。「周囲の円盤は、より広い円盤から物質を供給されています」とテイラー氏は述べ、これはつまり、ブラックホールの軌道エネルギーがより広い円盤に漏れ出ている可能性があることを意味する。「これは非常に効率的な解決策のように思えます」とナタラジャン氏は述べた。「利用可能なガスは豊富にありますから」

1月、ブレチャ氏と同僚たちは、系内に3つ目のブラックホールが存在することで解決策が得られるかもしれないという仮説を検証した。2つのブラックホールが停滞している場合、別の銀河が最初の2つと合体し始め、新たなブラックホールを巻き込む可能性がある。「強い三体相互作用が生じる可能性があります」とブレチャ氏は述べた。「エネルギーを奪い、合体までの時間を大幅に短縮できる可能性があります。」シナリオによっては、3つのブラックホールのうち最も軽いブラックホールが放出されるが、3つすべてが合体する場合もある。

迫りくるテスト

ここでの課題は、どの解決策が正しいのか、あるいは複数のプロセスが作用しているのかを見極めることです。

アロンソ＝アルバレス氏は、今後のパルサータイミングアレイデータから自己相互作用する暗黒物質の信号を探すことで、自身の考えを検証したいと考えている。ブラックホールが最終パーセクよりも近づくと、主に重力波を放出することで角運動量を減少させる。しかし、自己相互作用する暗黒物質が作用しているのであれば、パーセク限界付近の距離でエネルギーの一部を吸収しているのが見られるはずだ。これは、結果として重力波のエネルギーを低下させるだろうとアロンソ＝アルバレス氏は述べた。

カリフォルニア大学リバーサイド校の素粒子物理学者で、自己相互作用する暗黒物質の支持者であるハイボー・ユー氏は、この考えは妥当性があると述べた。「これは、重力波物理学から暗黒物質の微視的特徴を探る道筋となるでしょう」と彼は述べた。「本当に興味深いと思います。」

欧州宇宙機関（ESA）のレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）宇宙船は、2035年に打ち上げ予定の重力波観測衛星で、さらに多くの答えを与えてくれるかもしれません。LISAは、合体する超大質量ブラックホールが最期の日々に放出する強力な重力波を捉えます。「LISAを使えば、超大質量ブラックホールの合体を実際に観測できるでしょう」とパクッチ氏は言います。その信号の性質から「減速過程を示す特定の特徴」が明らかになり、最終パーセク問題の解決につながる可能性があります。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。