史上最大質量のブラックホール合体、LIGOで観測

• LIGO-Virgo-KAGRA協力体が、重力波で観測された史上最大質量のブラックホール合体を検出
• 今回の合体により、太陽質量の約225倍に相当するブラックホールが形成
• この合体は、既存の標準的な恒星進化理論では説明できない高質量であり、理論と観測の限界を試すもの
• 関連する科学者たちは、急速な回転と複雑な信号解析により、ブラックホール研究とアルゴリズム開発が前進すると見ている
• 今回の観測は、重力波天文学におけるデータ解析、機器技術、理論発展の新たな転換点である

---

LIGO、Virgo、KAGRAが史上最大質量のブラックホール合体を検出

LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）協力体は、米国国立科学財団（NSF）の支援を受けるLIGO観測所を用いて、重力波で観測された史上最大質量のブラックホール合体現象を発見した。今回の合体で形成された最終的なブラックホールは、太陽質量の約225倍に達することが明らかになった。この重力波信号はGW231123と命名され、2023年11月23日にLVKネットワークの第4観測期間中に検出された。

LIGOの歴史と進化

LIGOは2015年に重力波の初の直接観測に成功して大きな注目を集め、当時もブラックホール衝突後に太陽質量の62倍のブラックホールを検出した。ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードにそれぞれ位置するLIGOの双子検出器が、この信号を共同で捉えた。その後、LIGOはイタリアのVirgo、日本のKAGRAと協力してLVK協力体を構成した。2015年以降の4回の観測サイクルで300件を超えるブラックホール合体現象を観測している。

最近の記録的な合体事例

これまでで最も質量が大きかったブラックホール合体は、2021年のGW190521事例で、総質量は太陽の140倍だった。今回のGW231123事例では、太陽質量の100倍と140倍に相当する2つのブラックホールが合体し、225倍質量のブラックホールが生まれた。これらのブラックホールは非常に高速で回転していると推定されている。

LVK協力体のMark Hannamは、「観測されたこのブラックホール連星系は既存の恒星進化理論では説明が難しく、おそらくより小さなブラックホールの段階的な合体が原因である可能性を示している」と述べた。LIGOのDave Reitzeは、「重力波観測によってブラックホールの本質と宇宙の特異な性質を明らかにするうえで大きな進展があった」と言及した。

記録更新と科学的課題

GW231123で示された高質量と極限的な高速回転は、現在の重力波検出技術と理論モデルの限界を試している。アインシュタインの一般相対性理論が許容する限界に近い高速回転のため、信号の解釈とモデリングは非常に困難になっている。ポーツマス大学のCharlie Hoyは、「この事例は理論的ツールとアルゴリズム開発における重大な進展の機会を提供する」と評価した。

研究チームは、この信号のパターンと意味を完全に解読するには数年かかると見込んでいる。バーミンガム大学のGregorio Carulloは、「合体そのものが最も有力な説明だが、既存理論では説明されない複雑な現象のため、新たな解釈の手がかりとなる可能性も含んでいる」と分析した。

重力波天文学の限界を拡張

LIGO、Virgo、KAGRAのような重力波検出器は、宇宙の超大規模な物理現象によって生じる微細な時空のゆがみを測定する。今回の第4観測期間は2023年5月に始まり、追加データは2024年夏に公開予定だ。CaltechのSophie Biniは、「今回の事例はデータ解析と機器技術の現在の限界を乗り越える実例であり、今後の重力波天文学研究に多くの可能性を示唆している」と説明した。

GW231123の結果は、2025年7月14〜18日にスコットランド・グラスゴーで開かれるGR24/Amaldiカンファレンスで発表される予定だ。GW231123で使用された較正データはGravitational Wave Open Science Center（GWOSC）を通じて公開され、国内外の科学者が追加研究に活用できる。

LIGO-Virgo-KAGRA協力体の紹介

• LIGOは米国NSFの支援のもとCaltechとMITが運営し、ドイツ（Max Planck Society）、英国（Science and Technology Facilities Council）、オーストラリア（Australian Research Council）から主要な支援を受けている。世界中の1,600人以上の科学者が参加している
• Virgo Collaborationは、欧州17か国の152機関に所属する約880人で構成される。イタリア・Pisa近郊にあるVirgo検出器は、EGO（欧州重力波観測所）およびCNRS（フランス国立科学研究センター）、INFN（イタリア国立核物理研究所）、Nikhef（オランダ国立核物理研究所）が共同支援している
• KAGRAは日本のGifu県Kamiokaにある、3kmのアーム長を持つレーザー干渉計で、東京大学ICRR（宇宙線研究所）、国立天文台（NAOJ）、高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で主導している。17の国・地域、128機関、400人以上が参加している

追加情報や研究資料は各機関の公式ウェブサイトで確認できる

[GN⁺]

Hacker Newsの意見

• 約225太陽質量のブラックホールは、それぞれ約100および140太陽質量のブラックホールが融合してできたことを意味するので、15太陽質量がエネルギーに変換されたのか気になる。というのも、それはとてつもない量のエネルギーだからだ。
  • Tsar Bomba核兵器は約2.3kgの物質をエネルギーに変換したと見なせる。太陽1個分の質量は約2 x 10^30 kgなので、今回の事象は10^31個分のTsar Bombaに相当するエネルギーを放出した計算になる。こういう数字は直感的にピンとこないので、別の見方をしてみる。太陽は寿命全体を通じて約0.034%しかエネルギーとして放出しない。つまり太陽1個分の質量に相当するエネルギーは、太陽3,000個の一生分に匹敵する。今回の事象で放出されたエネルギーは、太陽約45,000個分の寿命全体のエネルギーに等しい。この大半は合体の最後の数秒で放出されたのだと思う。参考: エネルギー換算の計算資料, 太陽の質量損失の資料
  • エネルギーに変換されてブラックホールから抜け出したということだが、光さえ脱出できないブラックホールでどうしてそうなるのかよく分からない。もし重力波の形だとすれば、エネルギーの大半がこの方法で逃げるという当然の結論になる。ホーキング放射を待つ必要はない。
  • その質量はどんな形のエネルギーに変換されるのだろうか。
  • 人間には想像できるとしても、その瞬間には観測可能な宇宙のすべての恒星が放つエネルギーより多い。
  • そう、それでも重力はあまりにも弱いため、この莫大なエネルギーは地球と月の距離スケールで髪の毛の太さ程度の相対的な伸縮（10^-20未満）として現れるだけだ。
• この現象は本当に興味深い。「ブラックホールは非常に高速で回転しており、一般相対性理論が許す限界にほぼ達している」とUniversity of PortsmouthのCharlie Hoyが説明している。そのため信号のモデリングと解釈が難しい。このケースは理論ツール開発を前進させる優れた研究事例だ。
  • 自然が一般相対性理論のストレステストをこちらに投げてきたような感じだ。
  • 球状の天体は回転するだけでも重力波を発生させるのだろうか。
• 1か月前に提案されたNSF予算案では、米国内2か所のLIGO観測所のうち1か所を閉鎖する可能性があり、そうなるとこのようなブラックホール合体イベントの位置を三角測量する能力が大きく損なわれる。閉鎖はノイズ限界と検出率にも深刻な打撃を与えるはずだ。まだ閉鎖計画が現実化するのか知っている人はいるだろうか。参考リンク
  • 提案予算案は明日（7月15日 12:00）に審査される予定だ。現在のNSF予算は約70億ドルで、FY2025比で23%削減されている。LIGOに正確にどんな影響があるのかは分からない。予算案詳細リンク
  • 先週Pisaのvirgo ego（実質的にLIGOのいとこ）のイベントに参加した。重力波発見10周年の記念行事で、イタリア側プログラムディレクターが書いた本を俳優が朗読し、サックスで波の音を演奏していた。感動を言葉にできない。virgoセンター所長と科学コミュニケーターにインタビューする時間もあったが、LIGOの予算削減の可能性について所長はかなり怒っていた。それも当然だと思う。
  • FY 2026の最終予算案で2か所のLIGOが維持されるか、引き続き見守る必要がある。それまでは依然として現実的なリスクだ。ただ、まだ完全に取り返しのつかない段階ではない。
  • 現在、世界中でいくつかの重力波観測器が稼働しているのに、なぜLIGOの1か所閉鎖が三角測量に致命的なのか気になる。
  • もしかすると、2023年の今回の発見が今になってようやく論文として発表されたのもそのためかもしれない。
• 本当に良いニュースが必要だ。こういう種類の発見が、いつか実際に人類の生活をより良くする形で活用されうる道があるのか（かなり間接的でもいい）、想像力を刺激してほしい。「基礎研究の有用性」論争をしたいわけではなく、それ自体に価値があることには同意しているが、長期的にどう役立つのかがうまく想像できない。
  • 専門家ではないが興味を持っている者として、こうした進歩には確かに前向きな面がある。その1つは、重力波が宇宙初期の出来事を私たちに伝えるシグナルになる点だ。たとえば宇宙マイクロ波背景放射（CMB）はビッグバン／インフレーション直後に放出された初期光子の信号だ。しかし宇宙は最初の30万年間、光子に対して不透明だったにもかかわらず、私たちはこのデータをもとに宇宙論理論を検証・反証してきた。ところが重力波は光子と違って何にも遮られず、宇宙創生の時点からの信号を運べるため、さらに明瞭な情報を与えてくれる可能性がある。これによって量子力学や相対性理論など基礎物理への新たな洞察が得られるかもしれない。さらに、光子・ニュートリノ・重力波の3つで事象を観測するマルチメッセンジャー天文学につながり、より深い理解が得られると思う。こうした基礎物理の進歩が長期的に地球での暮らしを改善してきた例は多いので、楽観的に見てよいのではないか。世界が少しでも良くなるという希望を持ってほしい。
  • 「この研究は長期的にどう役立つのか？」という質問には、正直分からない。ただ、ブラックホールは科学的に見て私たちの知識の限界に最も近い存在だ。事象の地平線の向こうで何が起きているのかは全く分からないし、実験的には永遠に分からない可能性すらある。もっと多くを知れば、ときにブレークスルーが起きて技術発展が飛躍することがある。潜在力が最も大きい分野だと思う。たいていの場合、進歩は実際の関連業界以外から見ればかなり「地味」だ。
  • こうした研究の実用的な有用性は「結果そのもの」ではなく、その結果を得るための方法論にある。LIGOには極めて高精度なレーザー、安定したプラットフォーム、極限の位置計測、膨大なソフトウェアなどが必要になる。こうした「必要性」が実際の進歩とイノベーションを呼び込む。たとえば天文学の副次効果としてCMOSセンサー（デジタルカメラ）が生まれた。携帯電話のカメラを使うときに「これは恒星までの距離測定研究から来た」とは思わないが、そういう効果だ。
  • 歴史上、豊かな文明は自らの偉大さを示すために記念碑的な建築物を作ってきた。これと同じように、私たちは今、社会の生産性を基礎研究に投じて大きな芸術作品を作っているとも言える。ブラックホール合体の検出は、実用的利益がなくても宇宙の本質を発見しようとする知的な記念碑だ。古代エジプト人が今も記憶されているように、私たちの業績も長く残ってほしい。
• ブラックホールのイベントホライズン（事象の地平線）は常に球形だと思っていた。だが、自分の物理的直感では、2つのブラックホールが合体するとき、合体直後のブラックホールは少なくとも最初は「ピーナツ型」になるのではないかという気がする。内部の質量分布次第では、不規則な形がそのまま続くこともあるのではないか。
  • 事象の地平線が球形になるのはシュバルツシルト（非回転）ブラックホールの場合だ。回転するブラックホールはKerrブラックホールと呼ばれ、奇妙な現象が多い。外側にはergosphereという奇妙な境界領域があり、そこでは時空が引きずられて静止できず、ブラックホールを利用して物体を加速させることもできる。内部にはCauchy horizonというさらに奇妙な境界があり、理論上は時間旅行が可能になる。特異点はリング状だ。合体過程ではこれがさらに奇妙になると思う。Kerr metricのWiki, Kerrブラックホールの研究論文, ErgosphereのWiki, Cauchy horizonのWiki, 調べながら更新した。複雑なので正確かどうかは断言できないが、できる限りの説明だ。
  • 事象の地平線の形について語るのは難しいと思う。通常、球の定義は「ある1点から等距離にあるすべての点の集合」だが、微分可能多様体ではそれだけでもすでに複雑で、特異点のために距離が無限大になったり、幾何構造上の基準点が一意でなかったりすることがある。だから通常は「球と同じ位相（topology）を持つ一定のスカラー曲率の面」といった定義に置き換える。これによって平面や双曲面と区別できる。私の直感では、Kerrブラックホールや合体中のブラックホールはミントキャンディのような形（ピーナツ型）になる気がする（おそらく鞍点もある）。座標上は確かにそう見えるかもしれないが、座標系の取り方によってはSchwarzschildブラックホールも座標上ピーナツ型になりうる。だから座標はあまり意味がないと思う。
  • MIT/CalTechが作った合体アニメーションがある。アニメーション動画
  • 私たちの視点では、イベントホライズンは実際には完成した状態ではない。崩壊する恒星がブラックホール状態に達するには、外部観測者の基準では無限の時間がかかる。大半の状況では、崩壊する恒星はブラックホールのように見えるが、ブラックホール合体の過程ではイベントホライズンが完全に形成されていないため、エネルギーが放出されうる。こういう場合には重要な違いが生じる。
• もし一方のブラックホールが超相対論的速度でもう一方のブラックホールを貫通するように通り過ぎたら、何が起きるのだろうか。
  • ブラックホール周辺の時空は極限まで歪んでいる。「光速近くで互いに衝突する」と簡単に想像しがちだが、ブラックホールでは時空が互いに食い違うので、一方が近づくほど速度が完全に止まったように見えることすらある。観測者の位置や速度によってまったく違って見える。基本的なことですら合意しにくい。たとえば何かがブラックホールに吸い込まれる場合も（それが別のブラックホールでも）、外部からは速度が0に近づき、赤方偏移して消えていくように見えるだけで、実際に落ちる瞬間は見えない。本当に難しく、直感に反する。
  • 2つのブラックホールは結局合体して、運動量を合わせ持つブラックホールになる。イベントホライズンからは何も脱出できないので、ブラックホールは実質的に完全に粘着性があるようなものだ。
  • イベントホライズンの内側では脱出速度が光速を超えるため、ブラックホール同士がそれ以上の速度で互いに接近することはできない。軌道が完全に一致していれば互いの重力から逃れられない。2つのブラックホールが互いを貫通して通り抜けるというより、超強力な磁石同士が衝突する姿に近い。
  • こういうことを実験できる宇宙粒子加速器を設置できないのが残念だ。
• LIGO、Virgo、KAGRAがこのような極限の信号を実際に検出して解釈しているのは驚くべきことだ。
• LIGOの予算見通しが気になる。先週BBBが通過したときに予算が削減されたのだろうか。
• ブラックホールが衝突すると何が起きるのだろうか。片方がもう片方を「飲み込む」のか、それともより大きなブラックホールになるのか、密度が高くなるのか、あるいは単純に大きくなるだけなのか知りたい。
  • より大きなブラックホールに合体し、質量の大半は保存され、一部は重力波として放出される。質量は半径に比例するため、合体によって密度はむしろ低くなる。たとえば複数のブラックホールを一直線に並べて合体させれば、それら全体を包む球状の空間そのものがブラックホールになる。宇宙全体の質量を持つブラックホールは、宇宙そのものと同じくらい大きな体積になる。
  • より質量の大きいブラックホールに結合する。イベントホライズンまで含めた体積は質量だけで決まるので、どう作られたかに関係なく、同じ質量なら同じ密度だ。「飲み込む」という表現については、布を裂いていて2つの穴がつながって1つになるのを見たとき、それを大きい穴が小さい穴を飲み込んだと言えるのか曖昧なのと似ている。
  • 内部で何が起きているかは分からない。ブラックホールは質量、スピン（角運動量）、電荷の3つの量でのみ定義される。合体後はこれらの量が足し合わさると予想される。高速回転は合体後のスピンを限界近くにする可能性があり、重力波が余剰スピンのエネルギーを持ち去ることもある。
  • 私の理解では、2つのブラックホールは互いの周りを回りながら永遠に近づいていく。私たちの立場からは、実際に何かがブラックホールの中へ落ちていくのを見ることはできない。時間膨張のため、何も実際に地平線を越えるところは観測できない。詳しい説明はここにある。時間膨張に関するQ&A
  • 原理的には2つのブラックホールの質量は合算され、より大きなブラックホールになる。増えた質量がより強い重力を生み、イベントホライズンが外側へ広がる。
• ウェーブフォーム（Chirp）がなければ、起きたことにはならないというジョークだ。