LIGO-Virgo Science Summary （2020 年 9 月 2 日）https://www.ligo.org/science/outreach.php

GW190521: 観測史上もっとも大質量となるブラックホール合体何が観察された？
2019 年 5 月 21 日，LIGO（ライゴ）と Virgo（ヴィルゴ）の検出器は，異常とも言えるほど大きな質量をもつブラックホールが合体して発生した重力波信号を観測しました．GW190521 と名付けられたこの信号は，これまでに観測されたどの連星ブラックホール合体に比べても，短い持続時間で，かつ低い周波数でピークをもつものでした．
連星ブラックホール合体による重力波信号が，Virgoと LIGO の観測可能な周波数帯域にて検出される持続時間は，連星系の総質量に反比例します．GW190521の場合，この持続時間はわずか約 0.1 秒で，これは例
えば初めて検出された連星ブラックホール合体である

GW150914 に比べても著しく短い時間です．同様に，連星ブラックホール合体による重力波信号が最大に達する周波数も，連星系の総質量に反比例します．今回の GW190521 では，このピーク周波数は約 60 Hz で，GW150914 の場合よりもはるかに低い値でした．そのため，LIGO と Virgo が，非常に大きな質量のブラックホールの存在を示したことは，観測された直後から明らかでした（図１参照）．

図 1: GW190521 の重力波信号を時間・周波数図として表したもの．上から順に，LIGO のハンフォード観測所，LIGOのリヴィングストン観測所，Virgo でのデータを示す．時刻は，2019 年 5 月 21 日の世界標準時 (UTC) 03:02:29 との相対値を示す．各セルでの色は，パレットに示してある値のように，エネルギーの大きさを示している．今回の信号はとても短い継続時間で，かつピーク周波数も 60 Hz に過ぎなかった．
（GW190521 発見報告の論文の Fig. 1 を用いている）．

1

図２は，GW190521 を発生させたブラックホールの質量を測定したものです．２つのブラックホールのうち，大きい方のブラックホールは太陽質量（記号 M⊙で示されています）の約 85 倍であり，小さい方のブラックホールは 66 M⊙ に近い値を記録しています．これらの値はどちらも，これまでに Virgo と LIGO によって検出された合体前のブラックホールよりもはるかに質量が大きいものです．小さい方のブラックホールでさえも，これまでに知られている合体後に形成された「残骸」ブラックホールのほとんどより大きな値です（図 3 参照）．

GW190521 では，合体後の残骸ブラックホールの質量は 142M⊙ に達し，LIGO-Virgo の巨大ブラックホールのリスト中でも最高値となりました．今回は，合体前の２つのブラックホールの質量の和にくらべて，残骸ブラックホールの質量は，約 8M⊙ 少なくなってい

図 2: GW190521 の重力波信号を生じさせた連星ブラックて，この質量差が重力波信号のエネルギーに変換されホールの各々の質量予想値を確率分布として示した図．LIGOVirgo グループの解析によれば，中央部の濃い青色の等高線の内側に真のブラックホールの質量が存在する確率は 90%になる（２つのブラックホールの質量の組み合わせとしての予測値である）．図の右側と上側にある実線で囲まれた山形の曲線も同様で，各々のブラックホールの質量として予測される確率分布を示す．灰色で塗りつぶされた領域は，「第一の(primary)」ブラックホール質量を m1 ，「2 番目の (secondary)」
ブラックホール質量を m2 として，前者は必ず後者よりも大きな値であるとする，と定める LIGO-Virgo の定義によって外される部分である．(GW190521 発見報告の論文の Fig. 2を改変した)．

たことになります．

GW190521 が注目を集める理由は？
GW190521 の発生源となったブラックホールの尋常ではない大きさは，単なる自慢話では終わりません．
ブラックホールがどのように形成されていくのか，という私たちの理解に挑戦してくるものであり，重力がどのようにはたらくのか，といった基本的な問題を解決する，たぐい稀なる実験室を提供してくれるのです．

巨大ブラックホールをつくる
天文学者はブラックホールを質量によって分類しています．これは，ブラックホールの形成過程がまった
く違えば，違う領域の質量をもつブラックホールになることから，理にかなった分類です．
すべてではないにしても，ほとんどの大きな銀河の中心には，太陽の数十万倍から数十億倍の質量を持つ「超巨大」ブラックホールが存在しています．
私たちの銀河系の中心には，太陽の約 400 万倍の質
図 3: LIGO と Virgo による第一観測期・第二観測期 (O1, O2)量を持つブラックホールがあります．これらの怪物ブに観測された連星ブラックホールの質量を今回の GW190521（一番右）のものと比較する図．各観測について，黒い四角で示されたものは，合体前のブラックホールの質量を示し，赤い三角形で示されたものは，合体後のブラックホールの質量を示す．縦方向の線は予想される質量の誤差範囲を示す．
GW190521 の質量が大記録であることはこの図から明らかにわかる．
（今回発表された GW190521 の宇宙物理学上の意
味に関する論文の Fig.10 を元にした図である）．

ラックホールがどのようにして形成されたのかは，いまだに謎に包まれています．しかし、ブラックホールの形成は宇宙がもっと若かった頃から始まっていた可能性が高く，そのためにブラックホールがこのように大きくなるまでの成長時間があった，と考えられます．
質量分類のもっとも小さいところにあるのは，恒星質量ブラックホールです．これらは，超新星爆発の際2

に質量の大きい星のコアが崩壊してできたと考えられ理論自体による予測をテストしたり，予測と不一致なています．恒星質量ブラックホールは，太陽の数倍かものがあれば，一般相対性理論の修正理論の兆候がみら数十倍の質量を持ち，LIGO-Virgo がこれまでに観測られないかどうかの検証に使われます．

したブラックホールの合体は，これらの天体のペアで重力波を物理学の実験室として使うことは古くから行構成されています．

われてきました．過去にも，LIGO-Virgo ブラックホー

恒星質量と超巨大ブラックホールの間には，太陽のル合体の観測データから，一般相対性理論の検証が行100 倍から 10 万倍の質量を持つ「中間質量」ブラックわれています．それでは，GW190521 は何が違うのでホールという謎の領域があります．現在のところ，中しょうか？

間質量ブラックホールの決定的な観測は行われていませんが，どのようにして形成されるかについては，いくつかの異なるシナリオがあります．望遠鏡や重力波検出器の観測能力が向上した最近では，中間質量ブラックホールの探索が期待されるようになってきました．
大質量星の内部構造の理解や，ブラックホールの形成条件に関する理論的な考察によれば，太陽質量の約 65倍から 120 倍のブラックホールは，星の重力崩壊によってはできないと考えられています．今回の GW190521

図 4: ２つのブラックホールが合体するときに観測される重は，この分類に当てはまりません．連星系の大きいほ

力波の３つの時期「インスパイラル」「合体」「リングダウン」を図示したもの．

うの（第一の）ブラックホールの質量は，星の重力崩壊ではつくられるはずのない領域にぴったりと収まっています．そして，さらに合体後の残骸ブラックホー

２つのブラックホールの衝突からの重力波の信号は，ルの質量は中間質量ブラックホールの領域に合致して観測される時間順に，３つの異なる波形に分けられまいるのです．

す（図 4 参照）
．最初は「インスパイラル」と呼ばれる

LIGO-Virgo の GW190521 の観測は，恒星が大質量もので，２つのブラックホールが十分に離れて，互いブラックホールを形成する可能性があったのか，あるの周りを公転している状態からの重力波です． 次に，いは別の方法で形成されたものであることを示唆して２つのブラックホールが「合体」する瞬間の重力波，そいます．おそらく，小さなブラックホールのペアが合して最後に「リングダウン」と呼ばれる波形です．合体した結果，さらに大きなブラックホールを形成した体してできた（残骸）ブラックホールが，鐘の音が収のかもしれません．このような多重合体のシナリオがまっていくときのように，次第に安定した最終状態に成り立つためには，十分な数のブラックホールが近く向かって「鳴る」波形です．に存在するような特別な環境が必要となります．この先に述べたように，ブラックホールからの重力波信ような特殊な環境の例として，天文学者は，星の密集号は，LIGO-Virgo のデータとしては，ブラックホールした星団や活動銀河の円盤などを挙げています．の質量に応じて，異なる長さで観測され，異なる周波数GW190521 の観測は，中間質量ブラックホール領域でピークを迎えます．その結果，検出器は連星の質量の一部に恒星質量ブラックホールの合体の残骸が存在に応じて重力波信号の異なる部分に敏感に反応します．

している可能性を示唆しています．同様に，超巨大ブ質量の小さいブラックホールからの信号は，ブラックラックホールもこのように形成されている可能性があ

ホールのインスパイラル期と合体期に，よりはっきりります．と観測されます．一方，GW190521 を生成したブラックホールの質量がはるかに大きいことから，重力波信号の合体・リングダウン期を研究する絶好の機会とな重力に対する私たちの理解を検証するりました．

重力がどのようにはたらくか，という理論的な理解

これまでに観測された他のすべてのブラックホールは，アインシュタインの一般相対性理論によってよく信号と同様に，一般相対性理論は GW190521 でのテス説明されています．物理学者は一般相対性理論を使っトに合格しました．そのようなテストの一つは，重力て，ブラックホールの合体による重力波信号を予測し波信号のリングダウン部分を，インスパイラル部分とています．その予測は，LIGO-Virgo のデータを分析す合体部分から分けて分析し，それらが互いに一致してるのに使われます．その一方で，重力波信号の観測は，いるかどうかをチェックするものでした．また，いく3

つかの重力の修正理論で予測されている特徴的な重力量ブラックホールの合体が多数発見されるであろうこ

波信号が含まれているかどうか，あるいは発生源につとを示唆しています．

いて（例えば，ブラックホールの合体ではない，とする恒星質量ブラックホールがどれくらい重いものまでような）他の仮説についても検証しました．これらの存在するかを調べることで，ブラックホールが形成さテストのいずれも，従来の解釈を否定することには至れる過程や，ブラックホールが存在する環境をより明確らず，結果として，GW190521 は一般相対性理論で説に把握することができるようになります．GW190521

明されている物理学にしたがった２つのブラックホー

は，これまでに観測されたブラックホールの中で最大ルの合体を起源とする重力波である，と結論することのブラックホールのペアとして，その観測結果を楽しになりました．

むことができますが，ここで満足してはいけません．

LIGO, Virgo と KAGRA は，さらに改良された感度で重力波のために空を探索し続け，将来の検出器は，特に，より多くの重いブラックホールが隠れているはずの低まとめ周波数側で，より強力なものになるでしょう．すでに

GW190521 は，ブラックホールがどのようにして形計画されている新しい検出器には，地上に建設する計成されるかについての我々の知識を押し広げ，重力を画として，アインシュタイン望遠鏡 (Einstein Telescope)極限まで研究する新しい方法を提供する，記録的な重やコズミック・エクスプローラー (Cosmic Explorer)，あ力波観測でした．また，今後の LIGO (LIGO-India を含

るいは宇宙に打ち上げられる予定の LISA 計画がありむ) Virgo そして日本の KAGRA を加えた観測でも大質ます．記録は破られるためにあるのです！

LIGO-Virgo のウェブサイト:
http://www.ligo.org

さらに情報を得るためには

http://www.virgo-gw.eu

GW190521 の発見についてのプレスリリース資料：
https://www.ligo.org/science/Publication-GW190521/
http://www.virgo-gw.eu/GW190521
GW190521 の発見についての専門的な論文：
https://dcc.ligo.org/P2000020/public
GW190521 の宇宙物理上の意味についての専門的な論文：
https://dcc.ligo.org/P2000021/public
重力波オープンデータサイエンスセンター (GWOSC) で公開されている GW190521 のデータ.

4