第 13 期白眉研究者紹介● グローバル型（従来型）／ Global Type

Introduction of 13th-batch Hakubi Researchers★ 部 局 連 携 型（卓越研究員型）／ Tenure ‒Track Type● 大下 翔誉 特定助教
Naritaka OSHITA (Assistant Professor)
研 究 課 題： ブラックホールの揺らぎに関する理論研究- ブラックホール振動による重力理論の高精度検証を目指して (Theoretical aspects of a black hole ringing: Probing extreme
gravity with ringing black holes)
専 門 分 野： 重力 , 宇宙論 , 天体物理学（理論）gravity, cosmology, astrophysics (Theory)
受 入 先 部 局： 基礎物理学研究所（Yukawa Institute for Theoretical Physics）
前職の機関名： 理化学研究所

数理創造プログラム（RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences Program (iTHEMS)）

ブラックホールはこの宇宙で最もミステリアスな天%ODFNKROHVDUHSHUKDSVWKHPRVWP\VWHULRXVREMHFWVLQWKH

体の一つだろう。その強い重力により、たとえ光すらブUniverse. They have extreme gravity as even light cannot
escape from the black hole interior, which is a famous feature

ラックホール内側から外へ逃げ出すことはできない。強of black holes. Another noteworthy nature of the black holes

重力以外のブラックホールの興味深い特徴として、そのLV LWV ³VLPSOLFLW\´ )RU H[DPSOH WR SUHFLVHO\ FKDUDFWHUL]H

「単純さ」も挙げられる。例えば、地球を完全に特徴づ

WKHHDUWKPDQ\SDUDPHWHUVDQGLQIRUPDWLRQDUHQHHGHGWKH

けるためには、大量の情報が必要となる。地球の質量、mass, spin, distribution of the interior temperature, number of

自転の速さ、温度分布、表面の凹凸などを指定する必VDQGSDUWLFOHVKRZEXPS\WKHVXUIDFHLVDQGVRRQ2QWKH

要があるだろう。ところが、天体物理学におけるブラッRWKHUKDQGDEODFNKROHLVRQHRIWKHVLPSOHVWREMHFWVLQWKH

クホールは、質量と自転の速さの２つだけでその時空構

Universe as only the mass and spin of the black hole, i.e., two
SDUDPHWHUVRQO\FDQFRPSOHWHO\FKDUDFWHUL]HWKHVWUXFWXUHRI

造が完全に決まることが、一般相対性理論によって示さ

the astrophysical black hole in Einstein’s general relativity,れる。このブラックホールの単純さは、重力を強重力環

the standard theory of gravity. This simplicity and universality

境下で検証する上で極めて有用となる。一般相対性理of black holes are useful to probe gravity in strong gravity

論は地球や太陽系などの弱重力環境で生じる現象を説

regimes. Although we know general relativity succeeded to

明し、成功を収めてきた。しかし、これがブラックホー

explain various phenomena in weak gravity regimes, it is still

ル極近傍や宇宙誕生の直後といった極限重力環境でもunknown if the theory is valid even in strong gravity regimes,

成立するかを知るには、より厳しい検証を要する。白眉e.g., in the vicinity of the black holes or at the beginning of

プロジェクトにおいて、私はブラックホールの揺らぎに

the Universe. I aim to develop a novel way to probe extreme
gravity by studying the universal nature of a black hole ring-

潜む普遍性を理論的に明らかにし、その揺らぎから生じ

ing and by predicting the gravitational wave signals sourced

る重力波シグナルを予言することで、極限重力の物理のE\WKHEODFNKROHVXQGHUWKH+DNXELSURMHFW

理解やその新たな検証法構築に挑む。

クホールになる（図１）。この極端な現象では、激しいブラックホールと重力波密度が過剰に大きくなり、自重を支えることができ時空の歪みが生じ、その大きな歪みは遠方へ伝搬し、なくなった天体は、際限なく潰れ、最期にブラックホー地球にまで観測可能なシグナルとして到達する。このルとなる。実際、アインシュタインの一般相対性理論時空の歪みの伝播が「重力波」であり、ブラックホーでブラックホールを記述する解が発見され、現在ではルのような強重力系を観測する上で重要なシグナルとさまざまな観測から、その存在は肯定的に捉えられてなる。また、ブラックホールおよびそこから現れる重いる。2015 年に初めて達成された、ブラックホール起力波シグナルは、重力理論を検証する上で極めて有用源の重力波検出は、極めて意義深い。重さをもつ物質である。重力の標準的な理論である一般相対性理論は、はその周りの時間や空間（時空）を歪める。連星を成弱重力の環境では成功を収めている一方で、ブラックす２つのブラックホールは、互いの重心を周りながらホール極近傍という強重力環境でも機能するかは定か少しずつ近づき、やがて合体し、１つの大きなブラッではない。より厳しい環境で、一般相対性理論を検証

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白眉プロジェクト 2023

することで、その理論が宇宙誕生直後から現在までを計算のみを駆使して明らかにした。この他の興味深い記述する理論として適切かを間接的に検証できる。

例として、ブラックホール時空は、低周波の重力波を部分反射する性質を持っており、その「反射率」が重力理論の検証に応用できることを提案した [2]。実際に、ブラックホールの響きで探る極限重力楽器やワイングラスだけでなく、決まった構造をもそのブラックホール時空の反射率はリングダウン期につ多くの物体は、それに固有の振動パターン「固有振動」放射される重力波のスペクトルに刻まれ得ることが、をもつ。一般相対性理論において、ブラックホールも私の数値シミュレーションによって確認された。この決まった時空構造を持つことが知られている。つまりように、ブラックホールの単純さに起因する普遍性を楽器などのように、ブラックホールは準固有振動を持見抜くことは、ブラックホール自身の理解に繋がるだけつことが予言されている。ここで「準」は、ブラックホーでなく、重力波シグナルからどのようにその普遍性を抽ルの固有振動は一般に無視できない減衰率を伴うこと出・検証するかを見出すことで、重力の新たな検証法構に由来する。このブラックホールの準固有振動は、想築にも有用となる。白眉プロジェクトでは、ブラックホー定する重力の理論や、ブラックホール表面の環境に敏ル揺らぎの普遍性を理論的な立場で研究し、強重力の物感に依存する。従って、ブラックホールの準固有振動理の理解と重力理論の検証法への応用に挑む。

を精密に測定できれば、そのブラックホールの表面近傍の様子や、強重力環境での重力理論の検証も可能となる。「ブラックホールの響き」に強重力での物理を理解する手掛かりが潜んでいる。

ブラックホール振動の普遍性
では、この準固有振動は、どのようにして調べられるか？ブラックホール合体の後に形成される単一のブ

図１：ブラックホール連星合体の様子と、その際に放射される重力波波形 .

ラックホールは、形成直後に合体衝撃の余韻で減衰振動をする（図１のリングダウン）。このリングダウン期において放射されるリングダウン重力波は、ブラックホールが無数にもつ準固有振動の重ね合わせで表されることが知られている。つまり、ブラックホール合体直後に放射された重力波波形に注目すれば、ブラックホールの準固有振動を検出することが原理的には可能となる。では、無数に存在するブラックホールの準固有振動のうち、主にどの振動パターンが波形振幅に寄与するのだろう？これまで、数値シミュレーションおよびデータ解析によって、減衰率が５番目と６番目に低い準固有振動が特に大きく励起される傾向にあるこ
図２：準固有振動各々の励起性を定量化する励起因子の計算結果 [1].
赤点が励起因子の大きさのピーク値を示す .とが報告されていた。私はこれに理論的裏付けを与えられるか検証するべく、各々の振動パターンの「潜在的な励起のしやすさ」を定量化する励起因子を、ブラッ

参考文献

クホール摂動論に基づいて精密に計算した [1]。その結[1]Naritaka Oshita, “(DVHRIH[FLWDWLRQRIEODFNKROHULQJLQJ
4XDQWLI\LQJWKHLPSRUWDQFHRIRYHUWRQHVE\WKHH[FLWDWLRQ

果、減衰率が５番目と６番目に低い準固有振動の励起factors”, Phys. Rev. D 104, 12, 124032, 2021.

因子が他の振動モードより大きいことがわかった（図[2]Naritaka Oshita, “Thermal ringdown of a Kerr black hole:２）。シミュレーションによる経験則が、ブラックホー

RYHUWRQHH[FLWDWLRQ)HUPL'LUDFVWDWLVWLFVDQGJUH\ERG\ル振動の普遍的性質と相関を持つことを、理論・解析

factor”, JCAP 04, 013, 2023.

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