曲がった星の光が暴露! 隠れた二重ブラックホールを見つける新技術

ブラックホールは光さえも吸い込んでしまうため、直接見ることができない。特に2つのブラックホールが互いの周りを回る「連星ブラックホール」は、観測が非常に困難だ。

しかしカリフォルニア大学バークレー校の研究チームが、星の光が時空の歪みによって曲がる現象を使って、隠れた連星ブラックホールを見つける新しい方法を提案した。まるで宇宙に設置された灯台のように、星の光が点滅することでブラックホールの存在を教えてくれるという。

時空を曲げるブラックホールの正体

超巨大ブラックホールは銀河の中心にいる

私たちの住む天の川銀河の中心には、太陽の約400万倍の質量を持つ超巨大ブラックホールが存在する。これは特別なことではなく、ほとんどすべての大きな銀河の中心に、同じような巨大ブラックホールが潜んでいる。

銀河同士が衝突すると、それぞれの中心にいたブラックホールも接近する。最終的には互いの重力に引かれて、ペアを組んで回り始める。これが連星ブラックホールだ。

天文学者たちはこれまで、数千光年から数万光年離れた連星ブラックホールは発見してきた。しかし本当に面白いのは、もっと接近して数光年以内まで近づいたペアだ。

近距離ペアが見つからない理由

2つのブラックホールが接近すると、激しく回転しながら重力波という時空の波紋を放出する。やがて合体して、さらに巨大な1つのブラックホールになる。この瞬間に放出される重力波は、地球上の検出器でも観測できるほど強力だ。

問題は、合体直前の段階にあるブラックホールを事前に見つけることが難しい点だ。ブラックホールは光を出さないため、周囲のガスが光る様子を観測するしかない。しかし近距離ペアになると、2つのブラックホールの光り方が重なって区別がつかなくなる。

研究チームの計算によれば、宇宙には100万個以上の近距離連星ブラックホールが存在するはずだが、確実に発見されたものはほとんどない。

星の光が曲がる瞬間を捉える

アインシュタインが予言した重力レンズ

アインシュタインの一般相対性理論によれば、重い天体の周りでは時空そのものが曲がる。この歪んだ時空を通過する光も、進路が曲げられてしまう。これを重力レンズ効果と呼ぶ。

まるで虫眼鏡がレンズで光を集めるように、ブラックホールの重力が「レンズ」の役割を果たす。遠くの星から届いた光がブラックホールの近くを通ると、進路が曲げられて地球から見ると一時的に明るく見える。

この現象はマイクロレンズ効果と呼ばれ、すでに単独のブラックホールや恒星の発見に使われている。しかし連星ブラックホールに応用した研究は、これまでほとんどなかった。

2つが生み出す特殊な光のパターン

今回の研究で注目したのは、連星ブラックホールが作り出す独特の光の変化パターンだ。2つのブラックホールが回転すると、それぞれが時空を歪ませるため、背後の星の光は複雑に曲がる。

研究チームはルイス・ダートマス博士が中心となり、コンピューターシミュレーションで様々な角度から観測した場合の光の変化を計算した。その結果、連星ブラックホールの場合は数時間から数日という短い周期で、規則的に明るさが変わることが分かった。

単独のブラックホールによるマイクロレンズは、通常数週間から数ヶ月かけてゆっくり明るくなる。一方、連星の場合は2つのブラックホールが互いの周りを回るため、光が曲がる角度が素早く変化する。この違いを見分ければ、連星かどうかを判定できる。

どこを観測すればいいのか

研究チームは、観測に最適な場所も提案している。それはアンドロメダ銀河の中心部だ。

アンドロメダ銀河は地球から約250万光年離れた、天の川銀河の隣の大きな銀河だ。中心部には超巨大ブラックホールがあり、その周りには数億個もの星が密集している。

もしアンドロメダ銀河の中心に連星ブラックホールがあれば、背後の無数の星の光が次々とレンズ効果で曲げられる。すると地球からは、中心部の星々が規則的にチカチカと点滅して見えるはずだ。

計算によれば、ハッブル宇宙望遠鏡クラスの性能があれば、この点滅パターンを検出できる可能性がある。次世代のナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡なら、さらに詳しい観測が可能になる。

重力波観測との連携で宇宙の謎に迫る

合体の瞬間を事前予測できる

この方法の最大の利点は、ブラックホール合体を事前に予測できることだ。現在の重力波観測所は、ブラックホールが合体した瞬間の信号しか捉えられない。いつどこで合体が起きるかは、運任せだ。

しかし光の点滅パターンから連星ブラックホールを発見できれば、数年から数十年前に合体を予測できる。天文学者たちは事前に準備して、あらゆる観測機器を向けることができる。

特に注目されているのが、LISAという宇宙空間に配置する重力波観測所の計画だ。LISAは地上の観測所では捉えられない、超巨大ブラックホールの合体による低周波の重力波を検出できる。

光の観測で場所を特定し、LISAで重力波を捉える。この2つを組み合わせれば、ブラックホールの質量や回転速度、合体までの時間を正確に測定できる。

一般相対性理論の最終テスト

連星ブラックホールの観測は、アインシュタインの理論を極限状態で検証する絶好の機会でもある。時空が最も激しく歪む環境で、理論通りに光が曲がるのか、重力波が予測通りに放出されるのかを確かめられる。

もし予測と違う現象が見つかれば、一般相対性理論を超える新しい物理法則の発見につながる可能性もある。

研究チームは論文をarXivプレプリントサーバーに公開し、現在査読を受けている段階だ。今後、実際の観測データを使った検証が進めば、連星ブラックホールの発見ラッシュが始まるかもしれない。

宇宙には私たちの想像を超える現象がまだまだ隠れている。曲がった星の光が、その謎を解く鍵になる日は近いかもしれない。