これほど巨大なブラックホールを作れるのはブラックホールだけです。

科学者たちは、夜間にブラックホールが衝突する現象に慣れてきています。 2015 年に遡ると、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) は、はるか彼方の銀河で 2 つのブラック ホールが衝突することによって引き起こされる時空の振動を検出し、歴史に名を残しました。この最初の検出により、連星質量ブラック ホール、つまり大質量星の壮観な超新星爆発によって誕生したブラック ホールの存在が確認されました。それ以来、私たちは他にもいくつかの合体を検出しました (さらに、ボーナスとして中性子星の合体も!)。

さて、ジャーナル「Physical Review Letters」では、研究者らは、ブラックホールが繰り返し合体して、1つの星だけでは生成できないほど巨大なブラックホールを生成する可能性が高いと示唆しています。そして、球状星団は、そのような天体が何度も形成され合体するのに最適な近傍である可能性があります。

マサチューセッツ工科大学（MIT）とカブリ天体物理学・宇宙研究所のカール・ロドリゲス氏は、「これらのクラスターは数百から数千のブラックホールで形成され、中心部で急速に沈下していったと考えられる」と述べた。 「この種のクラスターは本質的にブラックホールバイナリの工場であり、宇宙の狭い領域に非常に多くのブラックホールがぶら下がっているため、2つのブラックホールが合体してより巨大なブラックホールが生成される可能性があります。そして、その新しいブラックホールは、別の仲間を見つけて再び合流してください。」

LIGOは、こうした「第二世代の合併」をまだ取り上げていない。これまでに検出されたすべての合体には、恒星質量ブラックホール (単一の大質量星によって形成された可能性が高いブラックホール) が関与していました。しかし、将来、太陽の50倍の質量のブラックホールが関与する合体現象からの重力波が検出された場合、それはブラックホールが合体を繰り返していることを示唆する強力な証拠となるだろう。それはとてもエキサイティングなことでしょう。

「十分に長く待てば、最終的にLIGOはこれらの星団からしか得られない何かを見つけるでしょう。なぜなら、それは単一の星から得られるものよりも大きいからです」とロドリゲス氏は付け加えた。

ほとんどの銀河には球状星団が存在し、より大きな銀河ほど多くの星団が見つかります。したがって、巨大な楕円銀河には数万個の銀河団が存在する可能性がありますが、天の川銀河にはおよそ 200 個の銀河団があり、最も近いものは地球から 7,000 光年離れたところにあります。これらの星団には古代の星がすべて小さな体積に詰め込まれているため、これらの星団内のブラックホールが中心に落ち、潜んでいる可能性のある他のブラックホールと仲良くなる条件は整っています。

2 つのブラックホールがクラスターの異なる部分から落下した後、互いに接近した場合、相対性理論の計算では、ブラックホールが重力波を放出し、クラスター内での運動からエネルギーを奪うことが示唆されています。これにより、ブラック ホールの速度が低下し、螺旋を描き始め、最終的には相互の周りを回る連星軌道に落ち着きます。その後、彼らの運命は決定されます。両方のブラックホールは重力波を放射し続け、そのペアが衝突、合体し、 光の速さで遠ざかる強力な重力波の爆発で噴火するまで、その軌道は縮小します。この新しく合体したブラック ホールは、別のブラック ホールが通り過ぎて再びバイナリ ダンスを始めるのを待って、クラスター内にたむろします。

しかし、ロドリゲスのチームがシミュレーションを実行したとき、彼らは、合体するブラックホールが急速に回転しており、その結果は、まあ、むしろ弾道的であると仮定しました。

「2つのブラックホールが合体するときに回転している場合、それらが作り出すブラックホールはロケットのように重力波を単一の好ましい方向に放出し、秒速5,000キロメートルもの速さで飛び出すことができる新しいブラックホールを生成します。めちゃくちゃ速い」とロドリゲスは語った。 「これらのクラスターの1つから逃れるには、おそらく秒速数十から100キロメートルの速度で逃げるだけです。」

このロジックによれば、マージされたブラック ホールがクラスターから起動されている場合、それらは再度マージすることはできません。しかし、LIGOが検出したブラックホールの典型的なスピンを分析した結果、チームはブラックホールのスピンがはるかに低いこと、つまりクラスターが新しく合体したブラックホールを解放する可能性が低いことを発見した。この修正を行った後、研究者らは、ブラック ホール バイナリの約 20 パーセントに、以前の合体で形成されたブラック ホールが少なくとも 1 つ含まれていることを発見しました。彼らの計算によれば、第 2 世代ブラックホールの質量範囲は太陽質量 50 ～ 130 倍であるはずです。合体がなければ、この質量のブラックホールを生成する他の方法はありません。

したがって、今のところ、第 2 世代ブラック ホールによって生成された信号を発見することは、世界中の重力波検出器に委ねられています。