ブラックホールが合体するとどうなるのか、重力波でわかった重さの分布

2015年に初めて重力波がとらえられてから、ブラックホールどうしの合体は「めったに見られない出来事」ではなくなりました。2024年1月までの観測をまとめた目録には、候補が218件並んでいます。数がそろうと、合体するブラックホールには「よく出る重さ」と「あまり出ない重さ」があることが見えてきました。

01 わかっていることブラックホールが合体すると何が起きるの？

2つのブラックホールは回り合いながら近づき、ぶつかって1つになります。合体後のブラックホールは、元の2つの重さの合計より少し軽くなります。差の分が、重力波として宇宙へ広がっていくからです。

2015年に初めてとらえた重力波では、太陽の36倍と29倍のブラックホールが合体して、62倍になりました。太陽約3個分の重さが、重力波のエネルギーになって出ていきました（くわしくは重力波の記事）。

合体した直後のブラックホールは、たたいた鐘のように短く「鳴って」から静かになります。この響きをリングダウンと呼びます。2025年1月の重力波GW250114では、この響きが、一般相対性理論が予想する回るブラックホールの響きと合っていました[7]。

ブラックホールの表面（事象の地平面、光も出られなくなる境目）の面積は、合体しても減らないと、ホーキングは予想していました。GW250114では、合体後の面積が合体前の2つの合計より大きいことが、高い確かさで確かめられました[7]。

02 どうやってわかったのか合体するブラックホールの重さは、どうやって調べたの？

重力波の波の形から、合体した2つのブラックホールの重さを1件ずつ見積もりました。それを何十、何百件と集めて、どの重さがよく出るかを描きました。数が増えるほど、分布の形がはっきりしてきています。

03 数字と例えでいうと合体するブラックホールは、どれくらい大きくて、どれくらい多いの？

よく見つかる太陽の35倍のブラックホールは、回っていないとすると半径は約100km。合体は、1辺約33億光年の立方体の中で1年に18〜44回ほど起きている計算です。

半径は、回っていないブラックホールの半径が「太陽1個分の重さあたり約2.95km」に比例することから計算しました。実際のブラックホールは回っていて、半径はこれより小さくなります。「約2日に1件」は、2023年5月24日〜2024年1月16日の237日を128件で割ったもので、検出器が止まっていた時間も含みます。

04 まだわかっていないこと合体するブラックホールの謎は何？

太陽の100倍前後の重いブラックホールがどうやってできたのか、合体する2つ組がどこで生まれたのかは決着していません。重さの山がなぜその位置にあるのかも、まだ説明がそろっていません。

• 重すぎるブラックホールはどうやってできたのか重い星の中心が熱くなりすぎると、ブラックホールを残さず吹き飛ぶと考えられています。そのため太陽の60〜130倍のブラックホールは珍しいはずですが、GW190521やGW231123はその範囲に入っていました[3][6]。前の合体でできたブラックホールがもう一度合体したという説がありますが[8]、確かめられてはいません。
• 合体する2つ組はどこで生まれたのか回転の向きが軌道とそろっているものが多く、2つ組の星から一緒に生まれたものが多いと考えられます。一方で24〜42%は回転が逆向きに傾いていて、星が密集した場所で出会った組も多い可能性があります[5]。それぞれの割合は決着していません。
• 重さの山はなぜできるのか太陽の約10倍の山では、相手のブラックホールが少し軽いことが多く、星どうしでガスを受け渡した名残かもしれないとされています[5]。ただし論文は「可能性」として書いていて、35倍の山も含めて理由はまだわかっていません。
• いちばん重い合体の数字は確かかGW231123は、計算に使う波の形の見本によって重さや回転の答えが変わります[6]。似た合体がもっと見つかるまで、この1件で結論は出せません。

05関連する記事

06よくある質問

ブラックホールが合体するとどうなるの？

1つの大きなブラックホールになります。合体後の重さは元の2つの合計より少し軽く、差の分は重力波として出ていきます。2015年の最初の観測では、太陽の36倍と29倍が合体して62倍になり、太陽約3個分が重力波になりました。

合体するブラックホールはどれくらいの重さ？

2024年1月までの観測をまとめた研究では、太陽の約10倍と約35倍のあたりが多く、35倍より重くなると数の減り方が急になります。見つかったものの重さは、太陽の約6倍から100倍を超えるものまであります。

いちばん重いブラックホールの合体は？

2023年11月23日にとらえたGW231123です。太陽の約137倍と約101倍のブラックホールの合体で、合わせた重さは太陽の190〜265倍と見積もられました。ただし計算の方法によって結果が変わり、不確かさが大きいとされています。

ブラックホールの合体はどれくらいの頻度で起きている？

2020年3月までの観測からの見積もりでは、1立方ギガパーセク（1辺約33億光年の立方体）あたり、1年に17.9〜44回です。2023年5月〜2024年1月の観測では、約8か月で128件の候補が見つかりました。

ブラックホールが合体しても、面積は減らないの？

減らないと予想されていて、2025年1月の重力波GW250114という1回の観測で、合体後のブラックホールの表面積が合体前の2つの合計より大きいことが、高い確かさで示されました。

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