Astronomers Find Evidence of Stars That Failed to Explode

宇宙で最も重い星が死ぬとき、それらはしばしば激しい超新星爆発を起こし、その物質の大部分が宇宙に劇的に吹き飛ばされます。残りの星の核は崩壊して中性子星になり、場合によってはブラックホールになります。しかし、理論によれば、一部の重い星は衝撃もなく消滅し、代わりに直接内部に崩壊して中性子星またはブラックホールになる可能性があります。

今回、重力波天文台のLIGO-Virgo-KAGRAネットワークからのデータを使用したカリフォルニア工科大学主導の新しい研究により、そのような失敗した超新星から形成された可能性のある明確なブラックホール集団のヒントが発見された。この研究では、超新星爆発が失敗したという直接的な証拠は発見されなかったが、これまでの重力波観測が、そのような集団について理論家が予測していたものと一致していることを示している。

ルイジアナ州とワシントン州の検出器で構成される、米国科学財団 (NSF) が資金提供するレーザー干渉計重力波観測所である LIGO は、2015 年に、衝突する一対のブラック ホールからの重力波、または時空の波紋を初めて直接検出し、歴史に名を残しました。それ以来、イタリアの乙女座検出器と日本の神岡重力波検出器 (KAGRA) は 1 つのネットワークに結合し、300 回以上のブラックホール衝突を検出してきました。

「宇宙の合体ブラックホールの大部分は、太陽の約10倍の質量です」とLIGOチームメンバーのカリフォルニア工科大学物理学教授でウィリアム・H・ハート奨学生のカテリーナ・チャツィオアンノウ氏は言う。 「私たちのデータは、このブラックホールのグループが共通の起源を持っている可能性があること、つまり超新星爆発に失敗した別個の部分集団である可能性があることを示しています。これらの結果は、重力波データと私たちが抽出しようとしている基礎的な天体物理学との関連性を表しています。」

Chatziioannou 氏がこの新しい研究を主導し、この研究結果はジャーナル Physical Review D に掲載されました。筆頭著者はイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の博士研究員である Isaac Legred (PhD ’25) で、カリフォルニア工科大学在学中にこの研究を実施しました。 Chatziioannou ラボの元メンバーで、現在は Asari AI に所属している Jacob Golomb (PhD ’25) も著者です。

現在までのところ、超新星爆発が失敗した具体的な例は確認されていないが、この考えは理論的には十分に裏付けられている。理論家たちは、それぞれが太陽の約10倍の質量を持つ合体ブラックホールの大集団が、これらの失敗した超新星爆発の一部を表しているのではないかと提案していた。これは、このペアのうち最も巨大なブラック ホールのどちらか、またはその両方が、星が爆発したのではなく爆縮したときに発生した可能性があることを意味します。カリフォルニア工科大学主導のチームの目標は、このアイデアが重力波データと一致するかどうかを確認することでした。

研究では、研究者らは、過去10年間にLIGO-おとめ座-KAGRAネットワークによって検出された257個のブラックホール合体の質量の分布を調べた。データは、合体サンプル全体の 4 分の 3 である 10 太陽質量でブラックホールの劇的なピークを明らかにしました。そして研究チームは、太陽質量12から16の範囲にブラックホールが明らかに存在しないことを初めて発見した。

「私たちは常に10個の太陽質量ブラックホールが合体しているのを観察しています」とルレッド氏は言う。 「しかし、たとえば、14 個の太陽質量ブラック ホールがそれほど珍しいのはなぜでしょうか? 質量の分布に見られるギャップは、10 個の太陽質量ブラック ホールの豊富な形成に内部物理学の特別なカクテルが存在する可能性があることを示しています。」

科学者たちは、これらのブラック ホールの回転速度の分布も調べました (回転はブラック ホールの形成方法にも影響を受けます)。これにより、10 個の太陽質量ブラック ホールの集団が、ブラック ホールのサンプル全体よりも狭い範囲のスピン速度に該当することが明らかになりました。これらの発見を総合すると、10 個の太陽質量ブラックホールは集団全体とは異なっており、したがって共通の起源、おそらくは大質量星の静かな爆縮の結果である可能性が高いという考えが裏付けられています。

「空を見上げて、爆発に失敗した大質量星の歴史的記録を研究しようとすることはできますが、それらは爆発せずに消えていき、空には暗い部分が残るだけなので、それは困難です」とルグレ氏は言う。 「この研究により、重力波のデータが、非常に特殊な種類の失敗した超新星から形成されたほとんどの連星ブラックホールと一致していることが示されましたが、さらなる研究が必要です。ブラックホールは宇宙の最も極端な環境のいくつかで誕生するため、その形成をよりよく理解できる見通しは非常に刺激的です。」

「低質量失敗超新星と合体ブラックホール質量分布の 10 ピーク」と題されたこの研究は、国立科学財団、米国エネルギー省、およびサイモンズ財団から資金提供を受けました。 LIGO はカリフォルニア工科大学と MIT によって運営されています。