ブラックホール衝突の余波を示すシミュレーション

May 11, 2023

2つのブラックホールの新しいシミュレーション光速に近い速度での衝突は、ある天体物理学者が「宇宙で想像できる最も激しい出来事の一つ」と呼ぶ、神秘的な物理現象を明らかにする。

シミュレーションを作成したジョンズ・ホプキンス大学の博士研究員トーマス・ヘルファー氏は、「2つのブラックホールを光速に非常に近い速度で正面から爆発させるというのは、少々クレイジーなことだ」と語った。 「衝突に伴う重力波は逆気候のように見えるかもしれないが、これは宇宙で想像できる最も激しい出来事の一つだ。」

『Physical Review Letters』に掲載されたこの研究は、このような大災害の衝突の余波を初めて詳細に調査したもので、残骸のブラックホールがどのように形成され、宇宙に重力波を送り込むのかを示している。

ブラックホールの合体は、宇宙の大規模な衝突によって生成されたエネルギーを運ぶ、検出可能な重力波を生成するのに十分なエネルギーを持つ宇宙の数少ない出来事の1つです。 池の波紋のように、その波は宇宙を流れ、時空を歪めます。 しかし、水中を伝わる波とは異なり、波は非常に小さく、空間の 3 次元と時間の概念を組み合わせた心を揺さぶる概念である「時空」を通って伝播します。

「重力波が私を通過すると、私は少し痩せて少し背が高くなり、次に少し背が低くなって少し太ります」と共著者のジョンズ・ホプキンス大学の物理学者エマヌエーレ・ベルティは言う。 「しかし、その量は原子核の約10万分の1です。」

物理学者らは、一般相対性理論（重力の仕組みに関するアインシュタインの理論）を、合体による微妙だが重要な重力の影響を無視した方程式を使って単純化することで、ブラックホールの合体後に放出される波を研究してきた。 ベルティ氏は、このアプローチは「線形近似」、つまり合体中に生成される重力波が弱いという仮定に依存しているため、偏りがあると考えている。

ブラックホールがそのような極端な速度で衝突することはほぼ不可能ですが、そのような衝突をシミュレートすると、チームが理論の簡易版では検出できない非線形性や重力効果を検出するのに十分な強度の信号が生成されました。 この発見は、ブラックホールの合体は線形化された方程式では研究できないこと、そしてこれらの事象の現在のモデルは、完全に変更しないにしても微調整する必要があることを示唆しています。

「一般相対性理論は非線形である。つまり、重力波自体もより多くの重力波を生成することになる」と、研究を主導したジョンズ・ホプキンス大学の物理学博士課程の学生、マーク・ホー・イェク・チャン氏は述べた。

研究チームはまた、2つのブラックホールが互いに周回した後に合体するシミュレーションを分析することで、これらのいわゆる非線形性を発見した。これは宇宙で何が起こっているかをより現実的に表すシナリオである。 カリフォルニア工科大学の独立した研究者グループによる同じシミュレーションの研究も、今日の Physical Review Letters に掲載されており、同様の結果が得られています。

「本当にブラックホールを理解したいのであれば、複雑さを忘れることはできないので、これはある意味大問題です」とCheung氏は語った。 「アインシュタインの理論はとんでもないものです。方程式は本当に複雑です。」

著者には、ノースウェスタン大学のヴィシャル・バイバブ氏が含まれます。 ニールス・ボーア研究所およびリスボン大学のヴィトール・カルドーソ氏。 フリードリヒ・シラー大学イェーナ校のグレゴリオ・カルッロ氏。 ジョンズ・ホプキンスのロベルト・コテスタ。 ピサ大学のウォルター・デル・ポッツォ氏。 リスボン大学のフランシスコ・ドゥケ氏。 ペンシルベニア州立大学のエストゥティ・シュクラ氏。 そしてフラットアイアン研究所のKaze Wong氏。 バイバブとウォンは元ジョンズ・ホプキンスの学生です。

この研究は、Croucher Foundation、NSF 助成金番号 AST-2006538、PHY-2207502、PHY-090003 および PHY-20043、NASA 助成金番号 19-ATP19-0051、20-LPS20- 0011 および 21-ATP21- によって支援されました。 0010。 この作品は、メリーランド州先端研究コンピューティング センターとテキサス先端コンピューティング センターの計算リソースを使用して作成されました。

- このプレスリリースはもともとジョンズ・ホプキンス大学のウェブサイトに掲載されたものです