2015年、2つのブラックホールが合体する様子が地球上で捉えられ、それらが作り出した時空の波紋が観測されました。それ以来、重力波検出器はさらに多くのブラックホール合体を発見し、科学史上最も壮大な衝突に関する理解を深めてきました。現在、これらの検出データを解析している天体物理学者のチームは、超大質量ブラックホールが実際には宇宙そのものと共に膨張しているという説を提唱しています。
宇宙は加速的に膨張していますが、すべての物質が単純に大きくなっているわけではありません。むしろ、銀河のような巨大な塊は、間の空間が拡大するにつれて、私たち（そして銀河同士）から遠ざかっています。太陽系やその他の物質の集合体は重力によって束縛されているため、私たちはこの膨張を局所的に経験することはありません。しかし、宇宙を見渡して遠くの銀河が私たちから加速して遠ざかっているのを観察すれば、この膨張を目にすることができます（私たちが観測する銀河からの光は「赤方偏移」しており、これは膨張した空間によって波長が引き伸ばされていることを意味します）。宇宙がなぜますます速く膨張しているのかを正確に理解している人はいませんが、天体物理学者たちは、原因不明の「ダークエネルギー」のせいだと考えています。
しかし、新たな研究論文によると、宇宙の膨張は実際には特定の天体を大きくしている可能性があるという。研究者らは、超大質量ブラックホールは、この膨張の影響を受けるほどの質量と寿命を持っていると主張している。つまり、地球や太陽といった重力で束縛された他の天体とは異なり、ブラックホールは宇宙とともに著しく成長しているということだ。この論文は先週、天体物理学ジャーナル・レターズ誌に掲載された。
2015年の重力波の検出は、LIGO-Virgo共同研究グループによって行われた。LIGO-Virgo共同研究グループは、レーザー光線と鏡を用いて重力波と呼ばれる時空のさざ波を捉える地下実験施設である。今回の論文を執筆した研究チームは、2015年の重力波を引き起こした2つの天体と同様のブラックホールを観測した。
「LIGO-Virgoの個々の合体では、新シリーズのエキサイティングな予告編の最後の10秒のようなものを観測しています。私たちが提案するモデルは、予告編の制作に使用された映像を文脈に当てはめながら、シリーズ全体のストーリー展開全体を記述します」と、ハワイ大学マノア校の天体物理学者ダンカン・ファラー氏はメールで説明した。
研究チームは、ブラックホールの大きさを宇宙の膨張に比例してモデル化し、ブラックホールが互いに螺旋状に接近するにつれて大きくなることを発見した。（ブラックホールのこの膨張は、互いに螺旋状に接近していないブラックホールにも起こる。ただ、重力波の検出によって観測できるのは、そのようなブラックホールだけである。）同様に、銀河中心のブラックホールも宇宙と共に膨張する。
ハワイ大学マノア校の天体物理学者で、論文の共著者でもあるケビン・クロッカー氏は、ギズモードへのメールで次のように述べている。「我々は、ブラックホールの質量は宇宙の大きさに比例し、ある指数で乗じられると提唱しています。この指数が結合の『強さ』を示します。膨張する宇宙では、ブラックホールの質量はすべてこのように増大します。宇宙の膨張が加速している場合、ブラックホールの質量はますます加速します。つまり、成長を引き起こすのは膨張の加速ではなく、膨張そのものです。」
通常、ブラックホールは膨張しない宇宙でモデル化されます。基本的には、宇宙の膨張が物事をどのように変化させるかを心配することなく、天体物理学者がブラックホールの質量などを計算できるようにする瞬間的な測定値です。
ブラックホールは宇宙で最も密度の高い既知の天体であり、巨大な星々が自ら崩壊することで形成されます。ブラックホールは、時には数十億年という非常に長い時間スケールで合体を起こし、互いに引き寄せ合うことがあります。合体には長い時間がかかるため、ブラックホールが形成された当時の宇宙の大きさは、ブラックホールが実際に衝突する時の宇宙の大きさよりもはるかに小さかったことになります。シカゴ大学の天体物理学者でNASAハッブル・フェローであり、論文の共著者でもあるマイケル・ゼビン氏によると、合体に関わる質量は、ブラックホールの形成時の大きさ、軌道の形状と大きさ、そしてもちろん年齢によって決まるとのことです。
これはまだ仮説の域を出ませんが、宇宙論的結合、つまり粒子や物体の特性が宇宙の特性と結びつく現象は、他の領域では確かに存在します。光子、つまり光の粒子は宇宙論的に結合していますが、その結合は逆です。ブラックホールは成長するにつれてエネルギーを獲得しますが、光子は宇宙の膨張に伴ってエネルギーを失います。これは、光子の波長が時間の経過とともに引き伸ばされるためです。
さらに驚くべきは、この結合特性がブラックホールと光子に限らないということです。ミシガン大学の天体物理学者で論文の共著者であるグレゴリー・タルレ氏は、ギズモードへのメールで、私たちの体や太陽の中心核のような、より一般的な質量の物質は、宇宙の膨張速度と非常に弱くしか結合しないと語りました。「この効果は、宇宙で最も極端な環境、つまりブラックホール、そしておそらく中性子星でのみ観測可能になるようです」とタルレ氏は言います。
今のところこれは単なるアイデアに過ぎませんが、新しい重力波検出器が完成すれば、これらの波紋を研究する人々は、その起源をより正確に特定し、衝突がどのように起こったのかをより深く理解できるようになるでしょう。間もなく稼働を開始する新しい望遠鏡は、観測可能な宇宙におけるほぼあらゆる事象を撮影できるようになり、天文学者はこれらの現象とその影響をより深く理解できるようになります。もしかしたら、私たちは何か新しいものの始まりに近づいているのかもしれません。
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