京都大学は、わずかな外的環境の変化で乱れたブラックホールの「準固有振動」の集合から、時空の大域的構造を反映する「テイル重力波」を含む重力波波形を再構成することに成功。「ブラックホール分光法」が抱える課題を解決し、その有用性を確認できたと7月24日に発表した。

  • ブラックホールが外的環境下で振動し、重力波を放射するイメージ。この振動パターンは、時空の大域的構造に関する情報を含む
    (出所:京大ニュースリリースPDF)

同成果は、京大 白眉センター/基礎物理学研究所の大下翔誉特定助教(理化学研究所客員研究員兼任)、米・ジョンズ・ホプキンズ大学のEmanuel Berti教授、デンマーク・コペンハーゲン大学/ポルトガル・リスボン大学のVitor Cardoso教授らを中心とする国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

振動するブラックホールは、準固有振動(特徴的な周波数と減衰率)を持つ重力波を放射する。鐘を突くと鈍い音が減衰しながら響くように、ブラックホールに物体が落ち込むなどの衝撃が加わると、減衰振動を伴う重力波が放射される。このブラックホール振動によって発せられる減衰重力波が「リングダウン重力波」だ。その波形は、複数の準固有振動の重ね合わせで精度良く記述できる。

リングダウン重力波を測定して準固有振動を抽出し、波源であるブラックホールの性質を解析する手法を「ブラックホール分光法」と呼ぶ。これは、楽器の音のみでその楽器の種類を判別することに例えられる。しかし、実際のブラックホール振動から得られる重力波信号は、自由振動だけでは説明できないほど複雑だ。たとえば、重力の長距離的な性質により、準固有モードでは記述しきれないゆっくりと減衰する成分、つまりテイル重力波が生じる。これは、準固有モードだけでは波形全体を精緻に捉えきれないことを意味する。

加えて、準固有モードのスペクトル構造が、わずかな外的環境の変化に敏感な点も問題視されている。ブラックホールの揺らぎを理論的に記述する場合、多くはブラックホールが単体で振動し、その周囲は真空と仮定する。しかし現実には、周辺に降着円盤などの物質が分布することがあり、これらを総称して「外的環境」と呼ぶ。これは、楽器を屋内で演奏すると、音波が壁で反射してこだまのように響くが、ホールの形状によってその響き方が異なることに例えられる。このような点が、ブラックホール分光法の有用性に対する疑問点につながっていた。

そこで、大下特定助教、Berti教授、Cardoso教授の3氏は、2024年8月にコペンハーゲンで開催された国際研究会「Ringdown Inside and Out」での議論を発展させ、上述した課題解決と事象の理解に寄与するため、今回の研究を本格的にスタートさせることにした。

その結果、課題を逆手に取り、わずかな外的環境によって乱れた準固有振動の集合が、標準的な準固有振動の集合よりも優れた重力波信号の構成要素となり得ることを突き止めた。

第一原理的に各々の乱れた準固有振動の振幅を理論計算し、これをその振幅で重ね合わせると、標準的な準固有振動では捉えられないはずのテイル重力波などの波形成分も含め、元の波形がより高精度で再構成されることが発見された。この仕組みは、楽器の音が室内で奏でられた際に生じる反響音が、楽器内部(ブラックホール近傍の時空構造)だけでなく、室内の大域的な構造(重力の長距離的な効果)に関する情報も含み得ることに例えられるという。

従来は標準的な準固有振動に基づいた波形解析が主流であり、乱れた準固有振動はブラックホール分光法の意義に疑問を呈する課題として認識されてきた。しかし今回の発見により、乱れた準固有振動がブラックホール周囲の大域的な時空構造など、豊かな情報を有することが判明。その結果、重力波波形モデルへの応用にも有用であることが示唆された。これは、ブラックホール分光法の堅牢さを示すだけでなく、高精度なリングダウン波形モデルの構築や重力波データ解析の精度向上に向けた新たな道を切り開くものと期待されるとした。

今後、この新たな手法による波形モデルを重力波波形データに適用し、その有用性をさまざまなブラックホール合体事例などで慎重に吟味していく必要があるとのこと。リングダウン重力波は、ブラックホールの極めて近傍から発せられる重要で貴重なシグナルだ。これを精緻に調べる手法がさらに発展すれば、極限重力環境における一般相対性理論の正しさや、新たな物理の必要性があるのかなどを探る大きな手がかりが得られる可能性が広がる。今回の成果は、極限重力の検証に大きく寄与することが期待されるとしている。