パルサーで初期宇宙の超大質量ブラックホール対の質量に初の上限値

北京師範大学のチェン（Chen）氏らの研究チームは、パルサータイミングアレイという観測手法を使い、宇宙誕生から間もない「宇宙黎明期」に存在した超大質量ブラックホールの連星（ペア）について、初めて直接的な質量の上限を示した。成果は学術誌『Physical Review Letters』に掲載された。

背景には、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）によって、宇宙誕生後10億年に満たない時期にすでに太陽の数十億倍の質量を持つブラックホールが見つかっているという事情がある。これほど短期間にブラックホールがどう成長したのかは、まだ定まった説明がない。連星のブラックホールが互いの周りを回ると重力波が生じるが、その周期は約1年と長く、地上の検出器では捉えられない。そこで銀河系に散らばる自転する中性子星（パルサー）の網を使い、重力波によってパルスの到着時刻がわずかにずれるパターンを探す。今回の研究では、オーストラリアのパークス・パルサータイミングアレイの30個のパルサーについて18年分の観測データが解析された。

従来の探索が近傍の宇宙に限られていた理由は、宇宙膨張による赤方偏移を無視していたことにある。遠方から届く重力波は引き伸ばされて周波数が下がっており、これを無視すると遠くの連星の質量を誤って見積もる恐れがあった。今回のチームは、遠方の信号は放たれた時点ではより高い周波数で、連星がより密に回っていた時期のものだという点を取り込んだ。この補正により、遠方の信号からでも連星の真の質量に制約をかけられる見通しが立った。実際には、9億年以内の超明るいクエーサーと、3億年以内に観測されたJWSTの遠方銀河という二つの既知の天体の位置と赤方偏移を組み合わせ、どちらについても約100億太陽質量以上の連星を除外した。この結果が示すのは、遠くにあるほど連星を見つけにくくなるとは限らないということだ。新たな探索の道筋となり、初期宇宙に巨大なブラックホールが現れた経緯の解明にもつながる可能性がある。ただし今回示されたのは上限であり、連星そのものが見つかったわけではない。今後、パークスが他の観測網とのデータ統合を進め、スクエア・キロメートル・アレイのような将来施設がパルサーのタイミング精度を高めれば、制約はさらに絞り込まれると研究チームは期待している。

製造業の視点では、この研究が直接の発注につながる段階にはまだない。解析の中心はデータ処理と手法の改良だからだ。ただし、スクエア・キロメートル・アレイのような大型電波望遠鏡の高精度化は、受信機、アンテナ構造、低ノイズの電子部品、時刻基準装置といった精密部品への要求水準を押し上げる方向に働くと考えられる。日本の部品・装置サプライヤーにとっては、こうした観測装置の分野で高い寸法精度や安定性が求められる案件に関わる余地がある。記事から読み取れるのは科学的成果であり、特定の機器需要が増えると断定できる材料はない。

※ 内容の紹介はここまでです。続きは元記事をご覧ください。