史上最重のブラックホール衝突は円軌道ではなかった

2023年11月23日、ハンフォードとリビングストンにあるLIGO観測所がGW231123を記録した。これまでに報告された中で最も重い、二つのブラックホールの合体だ。円軌道を仮定した標準的な解析では、質量は太陽のおよそ137倍と101倍で、どちらも極めて速く回転していた。

これらの数字は扱いにくい。小さいほうのブラックホールは、いわゆる対不安定性質量ギャップに入っている。これは、ふつうの恒星の崩壊ではなかなか作れない質量の範囲だ。この問題を回避する一つの方法が階層的合体である。高密度の星団のような混み合った環境では、ある合体の残骸がその場にとどまり、のちに再び合体する。論文はさらに、役立つ手がかりにも触れている。質量が近く、回転のほとんどない二つのブラックホールが合体すると、残骸の回転は典型的に約0.7になる。これは物理学者が使う無次元の尺度での値で、1に近い値はほぼ限界の回転を意味する。

わずか数サイクル

GW231123は短かった。最後に落ち込む前に測定できた波のサイクルは、ほんの数回しかない。そのため、その解釈は波形のモデルに非常に左右されやすい。とくに決めにくい性質が一つある。離心率、つまり軌道がどれほど楕円かだ。重力波を放射すると、古くて孤立したペアの軌道は丸くなりやすい。しかし高密度の環境での接近遭遇は、ある程度の離心率を残しうる。ほんの数サイクルのあいだなら、楕円軌道は回転するブラックホールのふらつきとよく似た信号を作りうる。モデルが離心率を考慮しなければ、その痕跡は回転のほうに吸収されてしまうかもしれない。

低い周波数から始めれば、より多くが見える

武漢大学の王保祥(Baoxiang Wang)と楊涛(Tao Yang)は、北京師範大学、ポツダムのマックス・プランク重力物理学研究所、寧波大学の共同研究者とともに、離心率と歳差運動する回転の両方を扱える波形モデルで公開データを再解析した。決定的な違いは、ハンフォードの検出器について、解析を20ヘルツではなく11ヘルツから始めたことだ。この検出器の公開データは、グリッチ(一時的なノイズ)が除去されていた。離心率は低い周波数ほど大きいので、信号のこの初期部分が最も重要になる。

• 軌道の離心率は、周波数5.5ヘルツで定義して0.34と求まった。
• 離心率のあるモデルは、ベイズ因子10.2で支持される。データは、円軌道よりも楕円軌道で約10倍よく説明される。
• これまでの研究と同じく20ヘルツから始めると、離心率はほとんど見つからない。これは、それらの研究と一致する。

これを確かめるため、彼らは楕円軌道をもつ偽のGW231123を作り、同じ方法で解析した。偽の信号は本物の事象とまったく同じようにふるまった。11ヘルツからだとはっきり楕円を示し、20ヘルツからだとはるかに弱くなる。解析の開始周波数が高すぎると、楕円軌道が隠れてしまうことがあるのだ。

回転の謎がほどける

離心率を考慮すると、最も大きく変わるのは小さいほうのブラックホールだ。その回転は、円軌道の解析での0.90から約0.74へと下がる。これは、以前の合体の残骸として期待される0.7に近い。偽の信号でも同じ効果が見られる。円軌道として解析すると、小さいほうのブラックホールは実際よりも速く回転しているように見えるのだ。

大きいほうのブラックホールは、どちらの解析でも速く回転したままで、その質量は単純な第2世代の起源とはほとんど合わない。したがって、二つのブラックホールは異なる歴史をもつのかもしれない。小さいほうは二つの以前のブラックホールの子どもであり、大きいほうは別の方法で形成された可能性がある。視線上に重力レンズがある可能性を加えても、楕円軌道という結果は変わらない。

何が変わるのか

これまでの研究は、GW231123の小さいほうのブラックホールを使って、対不安定性質量ギャップの上端を決めていた。著者らは、そのブラックホール自体が合体の産物なら、その質量だけでは上端を決められないと主張する。ベイズ因子10は証明ではなく手がかりにすぎない。著者ら自身も、信号が短い場合、本当に楕円軌道の信号であっても必ずしも強い支持が得られるわけではないと述べている。ある集団の境界がほんの数個の珍しい事象に頼っているなら、それらの事象の背後にある波形の仮定が直接効いてくる、と彼らは結論づけている。