「合体した銀河のブラックホールは約3光年手前で止まるはず」なのに止まらない…天文学の“最終パーセク問題”とは？

銀河どうしがぶつかって1つになると、それぞれの中心にいた巨大なブラックホールも、いずれ合体するはずだ。ところが理論で計算すると、2つのブラックホールは約3光年の距離まで近づいたところで、なかなかそれ以上近づけなくなる。それでも宇宙では、合体は起きているらしい。天文学で「最終パーセク問題」と呼ばれてきたこの食い違いが、海外の掲示板で話題になった。

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背景：パーセクと超大質量ブラックホール
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海外の反応
まとめ
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今日の知ってた？

🕳️ 合体した銀河の中心で、2つの超大質量ブラックホールは「約1パーセク（約3光年）」の距離で止まってしまうはずだと計算されている。それなのに実際には合体まで進んでいるらしく、どうやって最後の1パーセクを縮めているのかは、いまも決着していない。

背景：パーセクと超大質量ブラックホール

まず「パーセク」は天文学で使う距離の単位で、1パーセクは約3.26光年、キロメートルに直すと約30兆キロになる。地球が太陽のまわりを回ると、近くの星は遠くの星を背景にして、半年ごとにわずかに位置がずれて見える。このずれ（年周視差）が角度で1秒角、つまり1度の3600分の1になる距離を1パーセクと決めた。地上からの観測の仕方がそのまま単位になっているので、天文学者には計算が楽なのである。

次に「超大質量ブラックホール」は、たいていの大きな銀河の中心にいるとされる、太陽の数百万倍から数十億倍の質量をもつブラックホールだ。銀河どうしは長い時間をかけて衝突と合体をくり返して大きくなってきたので、合体した銀河の中心には、もともと別々の銀河にいた2つのブラックホールが運ばれてくることになる。

カリフォルニア大学バークレー校が2023年に出した解説記事で、研究者のルーク・ケリー氏は、銀河の合体によって2つのブラックホールは1キロパーセク（約3,000光年）ほどの距離までは近づくが、重力波を出して合体へ向かうには、そこからさらに5〜6桁も小さい距離まで縮まらなければならない、と説明している。

そこで問題になるのが、途中のブレーキ役だ。近づいてきた2つのブラックホールは、そのままでは互いのまわりを回り続けるだけで、距離は縮まらない。距離が縮まるには、軌道のエネルギーをどこかに捨てる必要がある。はじめのうちは、まわりの星やガスとの重力のやり取りがブラックホールの勢いを少しずつ奪う。ブラックホールの近くを通った星は、スイングバイのように勢いよく弾き飛ばされ、そのぶんブラックホールの側が減速する。

ところがこのやり方には限界がある。星を弾き飛ばすたびに、ブラックホールのまわりから星がいなくなっていくのだ。計算では、2つの距離が1パーセク前後まで縮んだあたりで、エネルギーを渡す相手がほとんど残らなくなる。一方、重力波そのものでエネルギーが目に見えて失われるのは、もっとずっと近づいてからだ。この中間で2つが足踏みし、宇宙の年齢をかけても合体まで行かない、というのが「最終パーセク問題」である。

もう少し詳しく

「止まっているはず」の距離にいる候補。2015年、カリフォルニア工科大学のマシュー・グラハム氏らが英科学誌『ネイチャー』に、クエーサー（銀河の中心が非常に明るく輝いている天体）「PG 1302-102」（PKS 1302-102 とも呼ばれる）の明るさが、約1,884日の周期で規則正しく変わっていると報告した。約24万7,000個のクエーサーの明るさの記録を調べて見つかったもので、論文は、1パーセクより近い距離で回り合う2つの超大質量ブラックホールが最も有力な説明だとしている。ただし論文自身が、解釈はまだ確定していないと書いている。

2023年、宇宙を満たす重力波の「うなり」。2023年6月28日、北米の研究チーム「NANOGrav（ナノグラブ）」が、15年分の観測データから、宇宙全体を満たすとても周期の長い重力波の証拠を見つけたと発表した。ミリ秒パルサーと呼ばれる、きわめて正確な間隔で電波を出す星67個を、アレシボ天文台、グリーンバンク望遠鏡、超大型干渉電波望遠鏡群（VLA）で見張り続け、電波の届く時刻がそろってずれる様子から、波長が何光年にもなり、周期が数年から数十年の重力波を捉えた。2015年に初めて重力波を捉えた LIGO（ライゴ）が見たのは、もっと小さなブラックホールや中性子星の合体から来る短い波で、こちらは桁違いに長い波である。

「止まらずに合体しているらしい」という手がかり。この背景の重力波を出している源として最も有力視されているのが、宇宙の歴史の中で何十万組もあったとみられる、回り合う超大質量ブラックホールの組だ。もっとも、宇宙ひもや原始ブラックホールなど、ほかの源の可能性もまだ残っている。バークレー校のチョンペイ・マー氏は、もし2つが止まったままなら重力波は見えないはずで、それを「最後のパーセク問題」と呼んでいる、と述べた。ケリー氏は、観測された重力波の強さからみて合体はかなり効率よく進んでおり、多くの組が1パーセクを切る距離まで縮んでいるらしい、と話している。つまり観測は「どうにかして乗り越えている」ことを示しつつあるが、「どうやって」の答えにはなっていない。

暗黒物質で説明する説。2024年7月には、トロント大学などのゴンサロ・アロンソ＝アルバレス氏らが米物理学会誌『フィジカル・レビュー・レターズ』に、暗黒物質の粒子どうしがぶつかり合う性質をもっていれば問題が解ける、という論文を出した。粒子どうしが相互作用すると、ブラックホールに弾き飛ばされても暗黒物質はばらばらに散らず、まわりに濃く残り続け、ブラックホールの軌道を縮め続けられるという。ただし、暗黒物質が互いにぶつかり合うかどうかは分かっておらず、著者自身が「自分たちが置いた仮定で、すべての暗黒物質のモデルに含まれる性質ではない」と述べている。チームは、この説が正しければパルサーで観測される重力波は低い周波数側で弱まるはずで、今後数年のデータで確かめられるかもしれないとしている。このほか、まわりのガスがブレーキ役になる説や、3つ目のブラックホールが加わってかき回す説も出ており、どれが主役なのかはまだ決まっていない。

海外の反応

1. 海外の名無しさん
ざっくり説明すると、合体する銀河のブラックホールは、まわりの星をパチンコみたいに弾き飛ばして減速しながら近づく。星を速く飛ばしたぶん、ブラックホールの側は遅くなるってわけ。でもこのやり方だと、進む先の星をどんどん追い払っちゃう。1パーセクくらいまで来たころには、勢いを奪ってくれる相手がもう残ってない。なのに、もっと近くで回り合ってるらしいペアが見つかってる。だから予測のどこかが間違ってるんだけど、何を見落としてるのかがまだ分からないんだ。

2. 海外の名無しさん（>>1への返信）
説明ありがとう。でも俺はその天体が何十億光年も先にあるって時点で頭が止まった。そんな遠くにあるものの、しかも中にあって見えもしないものを研究してるのかよ。

3. 海外の名無しさん（>>2への返信）
逆に向こうから今こっちを見たら、届くのは何十億年も前の光だから、地球には生命の気配もほとんど無いはず。少なくとも多細胞の生き物なんて影も形も見えないよ。

4. 海外の名無しさん（>>3への返信）
こっちからも生命の兆しは見えないけど、向こうじゃ今ごろハン・ソロがケッセル・ランを12パーセク未満で走ってるかもしれないぞ。

※注：『スター・ウォーズ』で、ハン・ソロが自分の船ミレニアム・ファルコンの速さを「ケッセル・ランを12パーセク足らずで飛んだ」と自慢する有名なセリフがある。パーセクは時間でなく距離の単位なので、昔からファンの間でネタにされてきた。

5. 海外の名無しさん
パーセクって響きは最高にかっこいいんだけど、普段使いの単位にするには分かりにくすぎる。地球が太陽の反対側に来たときに、星の見える位置が何秒角ずれるかで距離を決めるんだっけ。光年のほうが説明しやすいと思う。

6. 海外の名無しさん（>>5への返信）
2つの物の間の距離を言うだけなら光年でいい。でもパーセクがあるのは、地球からの測り方がまさにそれだからだよ。観測したままの単位で計算すれば、換算や三角関数の手間がだいぶ省ける。

7. 海外の名無しさん（>>5への返信）
定義はそうだけど、結局はただの長さの単位だよ。メートルを使うのに、最初にどう決められたかを知ってる必要はないのと同じ。1パーセクは約3.26光年、それだけ覚えておけば十分。

8. 海外の名無しさん（>>7への返信）
単位の定義って、歴史を知らずに今の文を読むと妙に意味不明なのが面白い。1メートルは「光が真空中を2億9979万2458分の1秒で進む距離」だからね。最初は変わりやすい物を基準にしちゃって、あとから変わらない自然法則に合わせ直したからこうなる。

9. 海外の名無しさん（>>5への返信）
船乗りなんていまだに水深をファゾム（尋）で測ってるからな。古い単位でも、現場で使い勝手がいいなら残るんだよ。

10. 海外の名無しさん
誰か、この問題を大学の黒板に書いて、清掃員さんの目に入るところに置いてみた？

※注：映画『グッド・ウィル・ハンティング／旅立ち』で、大学の清掃員として働く青年が、廊下の黒板に出された難問をこっそり解いてしまう場面を下敷きにしたジョーク。

11. 海外の名無しさん（>>10への返信）
大学で電気工学の授業を取ったとき、初日の回路図をこっそり式に直して整理したら、部品が1個少なくて済んだことがある。先生は「部品が足りない、間違ってる」って指でなぞって説明し始めたんだけど、どの場合もちゃんと動く。最後に黙り込んで「こんなやり方は初めて見た」ってつぶやいてた。映画の中にいる気分だったよ。

12. 海外の名無しさん
「愛こそが時間と空間を越えられる唯一の力だ」って説は検討したのかな。それで解決するかもよ。

13. 海外の名無しさん（>>12への返信）
『インターステラー』のあのくだりのことなら、正直あそこで映画への熱がちょっと冷めた派です。

14. 海外の名無しさん
大きいほうのブラックホールが、小さいほうをさっさと飲み込んじゃえばいいんじゃないの？なんで回り続けるんだ？

15. 海外の名無しさん（>>14への返信）
何十億歳にもなれば、誰だってウエストまわりには気をつけるもんだよ。

16. 海外の名無しさん
説明を読んでも全然ピンと来ない。重力って物どうしを引き寄せるものなんでしょ？だったらブラックホールも、星と同じように普通にくっつけばいいじゃん。

17. 海外の名無しさん（>>16への返信）
地球だって太陽に引っぱられてるけど、太陽に落ちてないだろ。引っぱられて速くなるから、ぶつからずに横をすり抜けて、そのまま回り続けるんだ。宇宙は広いから正面衝突なんてまず起きない。何か邪魔が入らなければ、理屈の上では永遠に回り続けられる。

18. 海外の名無しさん（>>17への返信）
補足すると、近距離なら重力波がかなりのエネルギーを持っていってくれるし、遠くにいるうちは周りの星が勢いを奪ってくれる。分からないのはその中間なんだよね。

19. 海外の名無しさん
重力波でエネルギーを捨てて近づくんだと思ってた。それじゃダメなの？

20. 海外の名無しさん（>>19への返信）
それはもうだいたい解決済みの話だと思うよ。重力波と周りの星間のちりが引き寄せて、ガスへのわずかな影響も足せば説明がつく。完璧な1つの答えではないけど、昔ほど激しくは議論されてない。

21. 海外の名無しさん（>>20への返信）
そう単純でもない。1パーセク前後の距離だと、重力波で失うエネルギーはほぼゼロなんだ。重力波が効いてくる距離までどうやってたどり着くのか、が問題の中身だよ。ちりの話も怪しい。いちばん効きそうなのは、2つを取り囲むガスの円盤との重力のやり取りだけど、それで必ず合体まで行くのかはまだ分かってない。

※注：20番の「もう解決済み」は言い過ぎで、21番の指摘のほうが資料と合う。2023年のパルサー観測は「多くの組が合体まで進んでいるらしい」ことを示したが、何がエネルギーを奪っているのかは決着していない（本文「もう少し詳しく」参照）。

22. 海外の名無しさん
2024年に『フィジカル・レビュー・レターズ』に「自己相互作用する暗黒物質が最終パーセク問題を解く」って論文が出てたよ。星やブラックホール本体ばかり注目されてたけど、周りの暗黒物質を勘定に入れたらしい。

23. 海外の名無しさん（>>22への返信）
暗黒物質って銀河の外側の回転を速く見せるやつだよね。銀河の中心にはほとんど関係ないと思ってた。暗黒物質がブラックホールに弾き飛ばされる役をやってくれるなら、たしかに話は通るのかも。まだ「かもしれない」段階だろうけど。

※注：この論文は、暗黒物質の粒子どうしがぶつかり合うという仮定を置いたもので、著者自身がそれを「すべての暗黒物質のモデルに含まれる性質ではない」と断っている。確定した解決ではない。

24. 海外の名無しさん
宇宙のいちばん奥で起きてる話なのに、地球のパルサー観測で答え合わせができるかもしれないってのが一番ワクワクする。15年見張り続けた人たち、本当にお疲れさま。

まとめ

合体した銀河の中心で、2つの超大質量ブラックホールは約1パーセクで足踏みするはず、という計算と、実際には合体が進んでいるらしいという観測の食い違いが「最終パーセク問題」だ。2023年のパルサー観測は「多くの組が乗り越えている」ことを示し始めたが、ガスか、星か、暗黒物質か、何がブレーキ役なのかはまだ決着していない。コメント欄は単位パーセクの話題や映画ネタで脱線しつつ、「重力波で済むのでは」「いや、その手前が問題なんだ」という核心のやり取りも見られた。