2025年11月12日、LIGO-Virgo-KAGRA重力波観測所はこれまでにない信号を検出した。S251112cmと命名されたこの合体は、チャープ質量が0.1から0.87太陽質量の間であり、通常の恒星質量ブラックホールのペアとするには軽すぎ、中性子星が関与する確率はわずか8%である。
The Astrophysical Journalに掲載された研究で、マイアミ大学の天体物理学者ニコ・カッペルーティとアルベルト・マガラッジャは、この信号が原始ブラックホールの最初の直接的な証拠である可能性があると主張している。原始ブラックホールは星の崩壊ではなく、ビッグバン後の最初の数分の1秒における密度ゆらぎから形成された天体である。彼らの主張が正しければ、これらの古代のブラックホールは、宇宙の暗黒物質のかなりの部分、場合によってはすべてを占める可能性がある。
「これはこれらのタイプのブラックホールが存在する非常に強力な証拠です」とカッペルーティは述べた。「しかし、決定的な確認を得るためには、もう一つ、あるいはさらに複数の同様の信号を検出する必要があります。」
何が異常なのか
恒星質量ブラックホールは超新星爆発における大質量星の崩壊から形成され、既知の最も軽いブラックホールは約3〜5太陽質量であり、下限は中性子星崩壊の物理学によって設定されている。チャープ質量が1太陽質量未満の合体には、従来の天体物理学的説明が存在しない。中性子星の合体は可能性としてあるが、S251112cmのベイズ分析では中性子星が関与する確率はわずか8%である。これらの天体は、恒星崩壊の質量閾値を下回るブラックホールであることはほぼ確実である。
この信号は3つのLVK検出器（LIGOハンフォード、LIGOリビングストン、Virgo）すべてで検出され、対数ベイズコヒーレンス係数は+6.1であり、これは真正な重力波イベントの強力な証拠である。誤警報率は約6.2年に1回である。推定距離は93±27メガパーセク（約3億300万光年）である。電磁波フォローアップ観測では信頼できるキロノバ対応天体は見つからず、ブラックホール同士の合体と一致している。
原始ブラックホールのケース
原始ブラックホールは、クォークが結合して陽子と中性子を形成したビッグバン後最初の数マイクロ秒の相転移であるQCD期に形成されたという仮説がある。この遷移の物理学は、初期宇宙の状態方程式を一時的に軟化させ、極度の密度を持つ領域が広大な質量範囲にわたって直接ブラックホールに崩壊することを可能にした。
カッペルーティとマガラッジャが使用したモデルは、Hasinger（2020）の拡張質量スペクトルをレプトンフレーバー非対称性で修正したものに基づいており、4つの特徴的な質量集団を予測している：電弱遷移からの惑星質量ブラックホール、バリオン出現からの約1.5太陽質量のチャンドラセカール規模ブラックホール、パイオン形成からの約50太陽質量ブラックホール、そして電子・陽電子対消滅からの超巨大ブラックホールである。
チャープ質量が0.1〜0.87太陽質量の範囲にあるS251112cmは、チャンドラセカール規模の原始集団の低質量側の裾野にきれいに収まる。
このモデルは、LIGOのO3b感度において検出可能なサブソーラーマージャー率を年間0.8と予測している。S251112cmの単一検出からは観測率は年間0.23（95%信頼区間0.012〜1.09）であり、統計的に予測と一致している。同じモデルは3〜200太陽質量の範囲で年間約120の合体も予測しており、これはLIGOの観測率と一致しており、LIGOが知るブラックホール合体の一部もまた原始的なものである可能性を示唆している。
暗黒物質への意味
観測可能な質量範囲（10⁻⁶〜4×10⁸太陽質量）におけるモデルの予測原始ブラックホール割合はf_PBH = 0.339であり、この質量窓における暗黒物質の約34%がこれらの天体で構成されている可能性があることを意味する。質量関数を準惑星スケール以下に拡張すると、このモデルは暗黒物質の100%を説明できる。
「我々の研究は、これらの原始ブラックホールが暗黒物質のかなりの部分、場合によってはすべてを占める可能性があることを示しています」とカッペルーティは述べた。
この検出は下限も提供する：この単一のイベントから、関連する質量範囲の暗黒物質の少なくとも4%は、95%の信頼度で原始ブラックホールの形で存在しなければならない。
代替説明と注意
全員が納得しているわけではない。信号は依然として統計的ゆらぎである可能性もあるが、高いコヒーレンス係数がその可能性を低くしている。別の説明として、「スーパーキロノバ」モデル（サブソーラーマスの中性子星が超新星爆発時のコラプサー降着円盤内の断片化から形成される）が、S251112cmの2日前に一致するIIb型超新星を発見した追跡研究で検証された。しかし、偶然の一致確率は2〜9%であり、証拠は「示唆的だが決定的ではない」と判断された。
「我々は、LIGOが観測したかもしれないようなサブソーラーブラックホールは確かに稀であるべきであり、これまでにそのようなイベントがほとんど観測されていないことと一致すると予測しています」とアルベルト・マガラッジャは述べた。「このイベントはまだ修正または撤回される可能性があることに注意しています。」
同様のサブソーラーマス合体の別の検出が、原始ブラックホール解釈を確認するために必要となるだろう。LIGOの現在の観測ランO4はデータ収集を継続しており、アップグレードされた検出器はこれらのとらえどころのない信号をより多く捉えるのに十分な感度を持つかもしれない。
雅子 訳