第24章ブラックホールと曲がった時空Black Holes and Curved Spacetime

By the end of 2021, the LIGO-Virgo collaboration (Virgo is a gravitational wave detector operated by the European Gravitational Observatory in Italy) published a catalog that included some 90 events. By the end of 2025, scientists had more than 225 gravitational-events to study. Most were mergers of two black holes, and most involved black holes with a range of masses detected only by gravitational waves (see Figure 24.19). In one merger, for example, black holes with masses of 86 and 65 times the mass of the Sun merged to form a black hole with a mass of about 142 times the mass the Sun, and released gravitational-wave energy equivalent to 9 times the mass of our Sun (remember E = mc²)—an enormous amount.

2021年末までに、LIGOとVirgoの共同研究チームは、約90件の現象を含むカタログを発表した。Virgoは、イタリアの欧州重力観測所が運用する重力波検出器である。2025年末までには、研究対象となる重力波現象は225件を超えていた。大半は二つのブラックホールの合体であり、その多くは、重力波でのみ検出されている質量範囲のブラックホールが関わるものだった（図24.19）。たとえば、ある合体では、太陽の86倍と65倍の質量を持つブラックホールが合体し、太陽の約142倍の質量のブラックホールとなった。そして、太陽の9倍もの質量に相当する、膨大な重力波エネルギーを放出した。E = mc²を思い出そう。

Astronomers are not yet sure how black holes in this unexpected mass range form. Bear in mind that the kind of black holes in binary star systems that we discussed in Evidence for Black Holes (and listed in Table 24.1) have masses ranging from 4 to 15 times the mass of the Sun.

この予想外の質量範囲のブラックホールがどのようにできるのか、天文学者にもまだ確かな答えはない。「ブラックホールの証拠」で扱い、表24.1に挙げた連星系のブラックホールは、太陽の4〜15倍の質量だったことを覚えておこう。

To be sure, a few mergers did involve black holes with stellar masses comparable to those of black holes in X-ray binary systems. In one case, for example, the merging black holes had masses of 14 and 8 times the mass of the Sun.

確かに、合体のなかには、X線連星系のブラックホールと同程度の恒星質量を持つブラックホールが関わった例もある。たとえば、ある例では、合体した二つのブラックホールの質量は、太陽の14倍と8倍だった。

While astronomers can learn about the masses of objects involved in gravitational wave events, the challenge is to locate the event in the sky precisely. A single gravitational wave detector cannot determine accurately the direction to a gravitational wave source. Four comparable detectors operating simultaneously are required to localize a source of gravitational waves in every location in the sky. The first observing run with four detectors, including the two LIGO detectors, Virgo, and KAGRA in Japan, became possible in 2025, after the Japanese detector was repaired from damage in a 2024 earthquake. LIGO India will be a fifth, thereby enhancing the probability that at least four detectors will be operational simultaneously. Experience has shown that the LIGO and Virgo detectors are down about 25 percent of the time because these complex systems are difficult to run.

重力波現象に関わる天体の質量を知ることはできるが、難しいのは、天球上でその現象の位置を正確に定めることである。重力波検出器が1基だけでは、発生源の方向を正確に求められない。天球上のどの場所についても重力波源を位置決めするには、同程度の性能を持つ4基の検出器を同時に動かす必要がある。2基のLIGO、Virgo、日本のKAGRAを含む4基での最初の観測運転は、2024年の地震で被害を受けた日本の検出器が修復された後、2025年に可能になった。LIGO Indiaは5基目となり、少なくとも4基が同時に稼働する確率を高めるだろう。これまでの経験では、LIGOとVirgoの検出器は、全時間の約25％で停止している。これらの複雑な系を運転するのは難しいためである。

A three-observatory network does provide a sharp location for events that occur in about half of all possible locations on the sky.

3観測所のネットワークでも、天球上の全方位の約半分で起きる現象については、精度よく位置を定められる。

In late 2017, data from the LIGO and Virgo detectors provided an accurate position for what analysis showed was the spiraling together of two neutron stars with masses of 1.1 to 1.6 times the mass of the Sun (see The Death of Stars).

2017年後半、LIGOとVirgoの検出器のデータは、ある現象の正確な位置を示した。解析の結果、それは、太陽の1.1〜1.6倍の質量を持つ二つの中性子星が、らせんを描いて接近する現象だとわかった（「恒星の死」参照）。

With an accurate location known, follow up observations with ground-based telescopes detected electromagnetic emission from a gravitational wave event for the first time. The observations showed that this source was located in NGC 4993, a galaxy at a distance of about 130 million light-years in the direction of the constellation Hydra. The Fermi satellite detected a flash of gamma rays at the same time and in the same direction, which confirms the long-standing hypothesis that mergers of neutron stars are progenitors of short gamma-ray bursts (see The Mystery of Gamma-Ray Bursts). Spectra showed that the merger ejected material with a mass of about 6 percent of the mass of the Sun at a speed of one-tenth the speed of light.

正確な位置がわかったことで、地上の望遠鏡による追観測が行われ、重力波現象からの電磁放射が初めて検出された。観測によって、発生源はうみへび座の方向、約1億3000万光年の距離にある銀河NGC 4993の中だとわかった。フェルミ衛星は同じ時刻、同じ方向にガンマ線の閃光を検出した。これにより、短いガンマ線バーストは中性子星の合体から生じる、という長年の仮説が確かめられた（「ガンマ線バーストの謎」参照）。スペクトルからは、合体によって太陽質量の約6％に当たる物質が、光速の10分の1で放出されたことがわかった。

This material is rich in heavy elements, just as the theory of kilonovas (see The Mystery of Gamma-Ray Bursts) predicted. First estimates suggest that the merger produced about 200 Earth masses of gold, and around 500 Earth masses of platinum. This makes clear that neutron star mergers are a significant source of heavy elements. More such mergers are being found (see Figure 24.19) and they will improve estimates of the frequency at which neutron star mergers occur; it may well turn out that the vast majority of heavy elements have been created in such cataclysms.

この物質は、キロノバの理論が予測したとおり、重元素に富んでいる（「ガンマ線バーストの謎」参照）。初期の推定では、この合体は、地球質量の約200倍の金と、約500倍の白金を生んだとされる。これにより、中性子星の合体が、重元素の重要な供給源であることが明らかになる。このような合体はさらに見つかっており（図24.19）、その発生頻度の推定が改善されるだろう。重元素の大多数は、こうした激烈な出来事でつくられたと、やがてわかる可能性も十分にある。

No electromagnetic observations have been detected from the mergers of two black holes.

二つのブラックホールの合体からは、電磁波の信号は検出されていない。

In June 2021, scientists from LIGO and Virgo announced the first detection of mergers between black holes and neutron stars, another of the really energetic events that we listed as possible sources for a detectable burst of gravitational waves. Again, no electromagnetic waves from the two events were observed or expected, demonstrating the importance of using what we are now calling “multi-messenger astronomy” to understand the universe fully.

2021年6月、LIGOとVirgoの科学者たちは、ブラックホールと中性子星の合体を初めて検出したと発表した。これは、検出できるほどの重力波の突発的な放出源として挙げた、非常に高エネルギーの現象の一つである。ここでも、二つの出来事から電磁波は観測されず、出ることも予想されなかった。この結果は、宇宙を十分に理解するには、今や「マルチメッセンジャー天文学」と呼ばれている方法を使うことが重要だと示している。

Observing the merger of black holes via gravitational waves means that we can now test Einstein’s general theory of relativity where its effects are very strong—close to black holes—and not weak, as they are near Earth. One remarkable result from these detections is that the observed signals so closely match the theoretical predictions made using Einstein’s theory. Once again, Einstein’s revolutionary idea is found to be the correct description of nature.

重力波でブラックホールの合体を観測できるということは、地球付近のように効果が弱い場所ではなく、ブラックホールの近くの、効果が非常に強い場所で、アインシュタインの一般相対性理論を検証できるようになったということである。これらの検出の目覚ましい結果の一つは、観測信号がアインシュタインの理論による予測にきわめてよく一致することである。自然を正しく記述するのは、再びアインシュタインの革命的な考えだとわかったのである。

Because of the scientific significance of the observations of gravitational waves, three of the LIGO project leaders—Rainer Weiss of MIT, and Kip Thorne and Barry Barish of Caltech—were awarded the Nobel Prize in 2017.

重力波観測の科学的重要性により、LIGO計画の指導者3人、MITのレイナー・ワイス、カリフォルニア工科大学のキップ・ソーンとバリー・バリッシュは、2017年のノーベル賞を受賞した。

Ground-based gravitational-wave detectors can detect mergers of black holes with masses up to about 200 times the mass of the Sun. Astronomers would now like to look for the merger of distant supermassive black holes (see Supermassive Black Holes: What Quasars Really Are) with masses of thousands to millions of times larger, which might have occurred when the first generation of stars formed, only a few hundred million years after the Big Bang. The gravitational waves emitted by mergers of supermassive black holes are so long that it is necessary to go to space to build an observatory large enough to detect them.

地上の重力波検出器は、太陽の約200倍までの質量を持つブラックホールの合体を検出できる。天文学者が次に探したいのは、遠方の超大質量ブラックホールの合体である（「超大質量ブラックホール――クエーサーの正体」参照）。質量は太陽の数千倍から数百万倍に及び、ビッグバンからわずか数億年後、最初の世代の恒星ができたころに起きたかもしれない。超大質量ブラックホールの合体が出す重力波は、波長が非常に長いため、それを検出できるほど大きな観測装置をつくるには、宇宙へ行く必要がある。

ESA (the European Space Agency), with contributions from NASA, is planning to launch a facility named LISA (Laser Interferometer Space Antenna) in 2034 to search for mergers of black holes with masses thousands to millions of times larger than the mass of the Sun. The experiment will consist of three spacecraft arranged in an equilateral triangle with sides 2.5 million km long, flying along an Earth-like heliocentric orbit. A test mass floats free inside each spacecraft, effectively in free-fall, while the spacecraft around it absorbs the effects of light pressure, solar wind particles, and anything that might perturb its orbit. Lasers will be used to measure very accurately the distances between the test masses. Changes in distance will then signal the passing of gravitational waves.

ESA（欧州宇宙機関）はNASAの協力を受け、太陽の数千倍から数百万倍の質量を持つブラックホールの合体を探すため、LISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）という施設を2034年に打ち上げる計画を立てている。この実験は、一辺250万キロメートルの正三角形に配置された3機の宇宙機からなる。3機は、地球に似た太陽周回軌道を飛ぶ。各宇宙機の内部では、試験質量が自由に浮かび、実質的に自由落下の状態にある。それを取り囲む宇宙機が、光の圧力、太陽風の粒子、そのほか軌道を乱す可能性のあるものの影響を引き受ける。レーザーを用いて試験質量どうしの距離を非常に正確に測り、その距離の変化から重力波の通過を知る。

We should end by acknowledging that the ideas discussed in this chapter may seem strange and overwhelming, especially the first time you read them. The consequences of the general theory of relatively take some getting used to. But they do make the universe more bizarre—and interesting—than you probably thought before you took this course.

最後に、この章の考え方は、とくに初めて読むと、奇妙で圧倒されるように感じられるかもしれない、と認めておこう。一般相対性理論から導かれることに慣れるには、少し時間がかかる。しかし、それによって宇宙は、この授業を受ける前に思っていたよりも、ずっと奇妙で、そして興味深い場所になるのである。