ブラックホール衝突まで100年？論文の計算を自分たちで検証

2個のブラックホールが衝突

超大質量ブラックホールが衝突すると、何が起きるのでしょう。誰も見たことがありません。太陽数個分から100個超の小型ブラックホールの衝突は、今や定期的に捉えられています。2015年以来、重力波検出器は200件超の衝突候補を捉えました。

重力波は、重い天体が互いを回ると放つ空間のさざ波です。大銀河中心の巨人は別です。質量は太陽数百億個分に達します。2026年4月、ボンのマックス・プランク電波天文学研究所で、Silke Britzenのチームが近接候補対を発表しました。

銀河はマルカリアン501です。発表は、実際の質量次第で2つのブラックホールが「最短で100年で合体する可能性がある」と伝えました。ただしマックス・プランク協会の見出しには疑問符。「最初の近接超大質量ブラックホール対を検出？」この疑問符が動画のテーマです。

安心です。この銀河は4億4000万光年以上先です。1光年は光が1年で進む距離、およそ9兆5000億キロメートルです。何が起きても地球には届きません。巨大ブラックホール2つはなぜ一緒になるのでしょう。

天文学者は何を見たのでしょう。「100年」はどこから来て、本当に成り立つのでしょう。本当に合体したら、誰か気づくのでしょう。論文を読み数値を再計算し、各数字の出どころを正確に示します。

銀河が衝突すれば、ブラックホールも出会う

まずは巨人そのものから見ていきましょう。超大質量ブラックホールの質量は、太陽のおよそ10万個分から数百億個分に及びます。銀河同士は引き合い、衝突し、ゆっくり1つに合体します。2つの銀河が合体すると、それぞれの中心ブラックホールも連れてきます。

ですから遅かれ早かれ、その2つのブラックホールは出会うはずです。これは、途中段階を捉えた合体の例です。エヌ・ジー・シー・ロク・ニ・ヨン・ゼロです。およそ四億光年先にあります。絡み合う光の中に、約3000光年離れた2つの超大質量ブラックホールがあります。

もっと接近した対は、ゼロ・ヨン・ゼロ・ニ・プラス・サン・ナナ・キュウという銀河で見つかりました。天文学者はこうした距離をパーセクで測ります。1パーセクは約3.3光年です。ゼロ・ヨン・ゼロ・ニ・プラス・サン・ナナ・キュウでは、二つのブラックホールは約七パーセク、約二十三光年離れています。合わせた質量は太陽の約150億個分で、1周には約3万年かかります。

およそ7億5000万光年先にあり、2017年には2つが互いの周りを動いている兆候が報告されました。この研究の天文学者Roger Romaniでさえ、「数十年以内」に1周する系を見つけられたら嬉しいと話しました。まだはっきり見えていないのは、合体直前の最後の段階です。そして、その最後の段階を捉えるのが難しい理由があります。

ブラックホールの最終パーセク問題

1980年、3人の天体物理学者Mitchell Begelman、Roger Blandford、Martin ReesがNatureに短い論文を書きました。活動銀河で、2つの巨大ブラックホールが互いを回るとどうなるか問いました。活動銀河とは、中心ブラックホールが物質を取り込み、明るく輝く銀河です。一部の電波ジェットの湾曲や歳差運動を説明できるかもしれないと提案しました。

ジェットは、ブラックホール近くからほぼ光速で噴く高温の帯電ガスの細い流れです。歳差運動とは、コマのように回転軸がゆっくり円を描いて揺れることです。軌道の直接効果を探せば検証できるとも述べました。各ブラックホールはまず、天文学でいう力学的摩擦で中心へ沈みます。

これは、重い天体が重力で星の群れを後ろへ引く際の抵抗です。2つが重力で束縛された対になると、星を放り出し近づきます。対の近くを通る星は、パチンコ玉のように弾かれます。星が去るたび軌道エネルギーを失い、対は縮みます。

手をつないだ2人のスケーターが重い球を外へ投げるほど、近づく姿です。単純な丸い銀河モデルでは、適した軌道の星がすぐ尽きます。理論では、対はおよそ1パーセクの間隔で止まります。重力波もエネルギーを運びますが、その距離では弱すぎます。

重力波だけで軌道を縮めるには、宇宙年齢よりはるかに長くかかります。これをブラックホールの最終パーセク問題と呼びます。名はMilos MilosavljevicとDavid Merrittの2003年論文からです。解決策はいくつか提案されています。1つは、実際の銀河は完全な球形ではないことです。

平たくゆがんだ、いわゆる三軸不等銀河では、星が新たな軌道で中心へ落ち続けます。2015年の研究は、これだけで問題を解き、約10億年以下で合体できると示しました。別案は、後の銀河合体で3つ目のブラックホールが来て、対を揺さぶり近づけるものです。2024年の3つ目の案は暗黒物質です。

暗黒物質は銀河を結ぶ見えない質量で、重力でしか検出できません。暗黒物質粒子が衝突できれば、ブラックホール周囲の高密度塊が補充され、抵抗も続きます。このモデルで、主ブラックホールが太陽の約30億個分の対は、およそ1億年から10億年で合体し得ます。ただし支持者も、現在のデータではこの効果を星やガスと区別できないと認めています。

最終パーセク問題には候補解がありますが、実際の銀河で働くものは不明です。最終パーセクのはるか内側で確認された対は、自然界が壁を越える強い証拠です。

昔から疑われてきたMarkarian 501

マルカリアン・ゴ・ゼロ・イチはブレーザーです。ブレーザーは、ジェットがほぼこちらを向くため非常に明るい活動銀河です。非常に高エネルギーのガンマ線でも輝くため、天文学者はTeVブレーザーと呼びます。赤方偏移0.034で、既知の中でも最も近いブレーザーの1つです。

赤方偏移は、宇宙膨張がこちらへ来る光をどれだけ引き伸ばしたかを測り、値が小さいほど近いことを示します。ヘルクレス座にあります。天文学者は以前から、ここに2つのブラックホールが隠れていると疑っていました。2000年、Frank RiegerとKarl Mannheimは、1997年の増光中、X線とガンマ線フレアが約23日周期で繰り返すと気づきました。

彼らは軌道周期がおよそ6年から14年の連星を提案しました。これは今日ニュースのモデルとは数値が異なる別モデルでした。二千二十三年、Silke Britzenのチームはマルカリアン・ゴ・ゼロ・イチの二十三年分の電波画像を調べました。画像はVery Long Baseline Arrayによるもので、ハワイから米領バージン諸島まで同じ25メートルの電波アンテナ10基が広がっています。

信号を各地点で記録後に合成し、アンテナ群は幅約8000キロメートルの1台の望遠鏡として働きます。これほど離せば、1基より細かい構造が見えます。内側のジェットと、はるかに大きい外側のジェットが、約90度違う方向を向くと分かりました。ジェット内の構造は、ジェットに直角へ横ずれしていました。

その論文は連星を主張せず、揺れるジェットの根元と連星を検証すべき可能性として挙げただけです。

第2のジェット

Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyで発表された新研究は、同じアレイの鮮明な画像を調べました。チームは2011年から2023年までの43ギガヘルツの観測83回を再解析しました。電波周波数が高いほど像は鮮明で、43ギガヘルツでは以前の15ギガヘルツ画像より細部が見えます。それらを15ギガヘルツと8ギガヘルツの以前の結果と比べました。

既知のジェットに加え、主ジェットの反対側、カウンタージェット側から始まり中心核を回るように見える別のジェットを報告しました。彼らはこれをJet 2と呼びます。主ジェットと違う方向を向くため見つけにくかったと、プレスリリースは述べています。論文は、以前の画像で主ジェットの明るい縁と見誤った可能性も示します。

Britzenは述べました。「長い間探していたのに、2本目のジェットが見えただけでなく、動きまで追えるとは、まったく驚きでした。」彼女の言葉では、「データを評価するのは、船に乗っているような感覚でした」。43ギガヘルツでは、ジェット系全体が約7年の時間尺度で横ずれします。

全体の明るさも、約7.4年周期で上下します。中心核の明るさには、ずっと短い約121日のリズムの兆候があります。天体の明るさの時間変化の記録を光度曲線といいます。論文自身も、この121日周期は「十分には制約されていない」と述べています。

ジェット・ツーの動きも似た数字を示し、約百四十六日ごとに同じ形へ戻るようで、前後約三週間の幅があります。チームの解釈では、各ジェットは各ブラックホールから出て、2つは数か月ごとに互いを回ります。軌道面がゆっくり揺れ、ジェットを7年ごとに振り回します。彼らの言葉では、こうした連星は観測結果を「合理的に説明できる」といいます。

等しい質量なら、要旨は各ブラックホールを太陽の約1億個分から10億個分としています。すると2つのブラックホールは、シュヴァルツシルト半径の27倍から128倍離れます。シュヴァルツシルト半径は、ブラックホールの戻れない境界の大きさです。太陽の10億個分なら、その半径は地球と太陽の距離の約20倍です。

プレスリリースは、地球と太陽の距離の約250倍から540倍とも表現します。地球と太陽の距離、およそ1億5000万キロメートルを天文単位と呼びます。最大でも約ゼロ点ゼロゼロ二六パーセクです。この対はゼロ・ヨン・ゼロ・ニ・プラス・サン・ナナ・キュウより二千倍以上近く、最終パーセク問題のはるか内側です。

地球から見ると、この間隔はEvent Horizon Telescopeでも分離には約5倍小さすぎます。このネットワークはM87のブラックホールを撮影しました。

1日だけのアインシュタイン・リング

もう一つの手がかりは、二千二十二年六月のある一日に得られました。画像では、Jet 2の断片が中心核を囲むほぼ閉じた円に並びました。重い天体は近くの光を曲げます。アインシュタイン理論の重力レンズ効果です。光源が天体の真後ろなら、光は周囲の円に伸び、アインシュタインリングになります。

ハッブルは銀河を囲むこのリングを撮影しています。プレスリリースの解釈では、その日、系は地球と一直線でした。手前のブラックホールが、後ろの2本目のジェットの光を曲げました。マックス・プランク協会はこのリングを、連星と「整合する1つの説明」としました。

しかし論文の計算にはひとひねりあります。この重さのブラックホールがこのリングへ光を曲げるには、光が約10から100パーセク後方で出た場合だけです。それは2つのブラックホールの間隔の数千倍です。著者らは、リングは2つ目のブラックホールでなく、遠方のJet 2の光だと示唆します。

正しければ印象的な手がかりです。明瞭な部分リングは1つだけ、ほかの日は暗い弧もあり、解釈はモデル次第です。これだけでは独立確認になりません。

「100年」はどこから来たのか

では、見出しの数字です。プレスリリースは、実際の質量次第で、この対は「最短なら100年で」合体し得ると述べました。ある報道は条件を明記しました。ブラックホールが太陽のほぼ十億個分なら、最終合体は「わずか一世紀先かもしれない」のです。

論文は、その数字への道筋を示します。先行研究から、系全体で太陽の約7億個分という質量を借ります。ジェットの動きの146日周期は、宇宙膨張による光の伸びを除くと約141日です。ケプラーの第3法則で間隔を出します。質量が分かれば、軌道周期から2天体の距離が分かります。

ブラックホールは約470天文単位離れています。次に、Philip Petersが1964年に初めて導いた、重力波が軌道からエネルギーを奪う速さの標準式を使います。等質量の円軌道なら、論文はこの対が少なくともあと250周続くとします。百四十一日の二百五十周は、百年弱です。

私たちも同じ条件で計算しました。私たちの計算でも約470天文単位でしたが、寿命は約190年、ほぼ480周でした。「少なくとも250周」と矛盾しませんが、100年は推定の短い側です。答えは質量で大きく変わります。

合計が太陽の1億個分なら、待ち時間はほぼ5000年です。太陽の20億個分なら、約30年に縮みます。一方が10倍重ければ、待ち時間は約3倍長くなります。121日のリズムが真の軌道なら、論文の質量で待ち時間は約110年です。

「100年」は、この対の確かな予報ではありません。論文自体にも注意点があります。著者らの図では、7年周期には離心率およそ0.8以上の非常に長い楕円軌道が必要です。離心率は軌道の伸びを表します。0は円、1に近い値は細長い楕円です。

論文は、この軌道では対の寿命をより正確に見積もる必要があるとします。Petersの式による私たちの見積もりでは、論文の質量なら、その楕円軌道は約5年で縮み、2つは合体します。これは100年とは別の話です。真の軌道が得られた周期の半分でも2倍でも、数字はすべて変わります。

146日パターンが軌道でなければ、この計算に必要な周期は得られません。論文自身も、Jet 2の時刻測定法の弱点を指摘します。観測時刻は不規則で、不均一な標本化が手法を妨げると著者らは書きます。約12年間の83回の観測は7から8週間に1回ほどですが、追うリズムは4から5か月です。

平均すると、1周期に2回か3回です。明るさのリズムには、不均一なデータから周期を探す標準手法を使いました。偶然のピーク確率は示しますが、周期に似たランダムなちらつきへの検定は見つからず、次章で見る罠です。

ニュース8件と主要科学媒体を調べましたが、研究チーム外の専門家の引用はありませんでした。ScienceAlertは、これは「決定的な検出ではない」と明言した数少ない媒体の1つです。

これまでのブラックホール・ペアの主張

マルカリアン501は、近接した対が主張された最初の例ではなく、先行例は警告になります。最も有名なのは、約十二年ごとにフレアを起こすブレーザー、オー・ジェイ・ニ・ハチ・ナナです。連星モデルでは、太陽の約1億5000万個分のブラックホールが、約180億個分を12.06年ごとに回ります。このモデルは、1995年、2005年、2007年、2015年の増光開始を予測しました。

ですが2023年、Stefanie Komossa率いるチームは、2022年10月に予測したフレアは未検出と報告しました。チームは主ブラックホールを太陽の約1億個分と見積もり、別の連星モデルを支持しました。モデル著者Mauri Valtonenは、フレアは地上から観測できない夏の空白期に起きたと反論しました。2026年には彼のチームもその10月に別種のフレアを報告し、議論は続いています。

次はピー・ジー・イチ・サン・ゼロ・ニ・ハイフン・イチ・ゼロ・ニです。明るさが約五年ごとに繰り返したように見えたクエーサーです。2016年、Simon Vaughanらは、時間が長いほど振幅が大きいランダムなちらつきも、数周期は周期的に見えると示しました。天文学者はこのちらつきを赤色雑音と呼びます。ピー・ジー・イチ・サン・ゼロ・ニ・ハイフン・イチ・ゼロ・ニでは、規則波より単純なランダム過程がよく合いました。

ピー・ケー・エス・ニ・イチ・サン・イチ・ハイフン・ゼロ・ニ・イチも候補で、四十五年分のデータに約五年の電波周期があります。そのモデルは、2年の軌道と約1万年後の合体を示唆します。ですが信号は、1984年ごろから2005年まで、約20年間消えたように見えました。銀河3C 66Bの候補対では、天文学者がパルサーと呼ばれる回転する死んだ星のパルスを測り、

可能な質量と軌道を制限してきました。2026年の分析は、まだ許されていた範囲の一部を除外しました。最も強い警告は、Event Horizon Telescopeがブラックホールの影を撮った銀河M87から来ます。そのジェットは22年分の電波データで追跡され、約11年周期で往復します。

しかしその研究は、1つの回転するブラックホールで説明しました。回転するブラックホールは周囲の時空を引きずり、それが傾いたガス円盤を揺らすことがあります。物理学者はこれをレンズティリング歳差運動と呼びます。Britzen自身の2023年論文も、同じ単一ブラックホールの揺れをマルカリアン501の選択肢に挙げました。

新論文は、ジェットをねじる波、ずれる電波コア、衝撃波なども検討しますが、どれも不十分とします。M87を説明した単一の回転ブラックホールを検証したとは、見つけられませんでした。ですから、ジェットの揺れだけでは2つのブラックホールの証明になりません。マルカリアン・ゴ・ゼロ・イチが異なるのは、二本目のジェットと可能性のあるリングです。

だから有力な候補ですが、まだ候補です。

重力波背景

この対を直接見ずに、聞く方法があるかもしれません。2023年6月、NANOGravは遅い重力波背景の証拠を発表しました。使ったのはパルサーです。1秒に数百回転し、灯台のように電波を地球へ掃く死んだ星です。重力波は私たちと各パルサーの間を伸縮させます。

そのためパルスは、わずかに早く、または遅く届きます。NANOGravは15年間、67個のパルサーを計時し、重力波が作るはずの空全体のパルス時刻ずれを発見しました。統計的強さは約3.5から4シグマでした。シグマは偶然の確率の尺度です。通常、5シグマを発見と呼びます。

ヨーロッパ、インド、オーストラリア、中国のチームも同日に似た結果を報告しました。NANOGravは、この信号は多くの超大質量ブラックホール対と整合するが、他起源は除外しないと述べました。その背景から単独の対はまだ見つかっていません。プレスリリースはマルカリアン・ゴ・ゼロ・イチを、その波を特定の一対に結びつける有力候補と呼びます。

共著者Hector Olivaresはこう表しました。「2つの巨人が衝突へ螺旋状に近づくにつれ、周波数が着実に上がる様子さえ見られるかもしれません。」私たちの計算では論文の質量なら、上昇は10年間で約2パーセントです。合計が太陽の1億個分なら約10分の1パーセント、20億個分なら約15パーセントです。

合体を検出できるのか？

合体すれば気づくでしょうか。重力波の周波数はヘルツです。1ヘルツは毎秒1波。論文では信号は約10億分の80ヘルツです。Square Kilometre Arrayは、20を超えるパルサーを10年以上測れば、

10億分の100ヘルツまで届くかもしれません。南アフリカとオーストラリアで建設中の巨大電波天文台です。10億分の80は軌道周波数、円軌道の波は2倍です。私たちの計算では約10億分の160ヘルツ。少し上です。

1波は約10週間。2015年、LIGO初の衝突は約35ヘルツから250ヘルツへ上がりました。聞こえる音です。この波を聞こえる最低音にするには約1億倍速が要ります。NANOGravの単独対探索は約10億分の6ヘルツ付近で最高感度でした。

LISAは2024年1月採択、2035年ごろ打ち上げ予定の欧州宇宙機関計画です。レーザーでつないだ3機の宇宙機が、1辺約250万キロメートルの三角形を飛びます。LISAは約1万分の1ヘルツから1ヘルツです。太陽の約10万から1000万個分の合体対向きです。

私たちの大まかな見積もりでは、論文の質量なら最終落下は約100万分の6ヘルツです。これはパルサー計時とLISAの間のマイクロヘルツの隙間です。2021年の研究は、この帯域を重力波観測で「最大の隙間」と呼びました。この隙間向けの計画中検出器はありません。

長く遅い接近は、パルサー計時や速まるジェットのリズムに出るかも。どちらも検出可能とは確認されていません。

すでに起きていた？

「100年」について、最後に1つ。マルカリアン501から見える光は、数億年前にそこを出発しました。ですから今そこで何が起きていても、その光が届くまで私たちには見えません。合体が100年後に私たちの空で見えるなら、そこで起きたのはずっと前です。

ニュースがまだ届いていないだけです。Popular Scienceの言葉を借りれば、実際の大団円を目撃する人は、おそらく誰もいません。近いうちに起き得るのは、検証です。短いリズムが、新しくより頻繁な観測でも繰り返されれば、連星という考えは強まります。

ほかの候補の信号のように消えれば、弱まります。そしてリズムが年月とともに速くなれば、この対は螺旋状に近づいています。連星が確認されれば、自然界が本当に最終パーセク問題を越える強い証拠になります。それまでは、マルカリアン・ゴ・ゼロ・イチはマックス・プランク協会の見出しが示すものにとどまります。

疑問符付きの検出です。