超高重力場の天然実験場としての OJ 287

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OJ 287 は,太陽の180億倍もの強い重力場が周囲の時空におよぼす相対論的効果が直接的に発現する,天然の実験場となっています. たとえば,重力波による連星軌道の縮小率は 10-3 のオーダーであり, これは(重力波放射の間接的証明に使われ1993年のノーベル物理学賞の対象となった) 中性子星どうしの連星系 PSR B1913+16 の 10-12 を文字通りケタ違いに上回ります. そのため,相対論的連星系における軌道進化や重力波放射の研究に応用されています.

OJ 287 を用いた一般相対性理論の検証

歳差連星ブラックホールモデル(図4)からは, 重力波による連星軌道の縮小が実際に起こっており,OJ 287 の2つの超巨大ブラックホールは遠くない将来に衝突・合体すると予測されます. また,今後の熱的フレアの開始時期の決定は, 一般相対性理論の観測的検証になると期待されています.

OJ 287 のブラックホールが一般相対性理論から導かれる 真のブラックホールであるならば,「唯一性定理」と「no-hair 定理」が 成立していると期待されます. 表1の連星パラメータを導く際に用いられるポストニュートン近似計算には, 四極子相互作用の効果を考慮する項があります. その項には, ブラックホールの四極子モーメントとスピンを結び付ける関係式に現われる係数 q が含まれており, これが変数のひとつとなります.OJ 287 のブラックホールにおいて唯一性定理と no-hair 定理が成立しているならば q = 1.0 となります. これまでの観測データからは,30パーセントの精度で q = 1.0 と矛盾しませんが,今後の観測で約10パーセントまで向上できる見込があります. 逆に今後の観測によって q ≠ 1.0 でなければ軌道解が収束しなくなれば, これらの定理は実は成立していないか,OJ 287 のブラックホールは真のブラックホール以外のなにか, ということになる可能性があります. 上記2つの定理は一般相対性理論から導かれるブラックホールにのみ 適用されるため,修正ニュートン力学など他の重力理論との強い弁別となります.

図5は,小さい方のブラックホールの軌道が今後どのように歳差してゆくか, および熱的フレアがいつ観測されるかを示す最新の予測です. 図の原点に大きい方のブラックホールがあり,y = 0 がその降着円盤 (の断面)に相当します.地球は図の上方に位置します. 図5から明らかなように,今後 OJ 287 の増光間隔はきれいな12年周期から大きく逸脱する時期となります. これらの増光開始のタイミングを決定することで, 歳差連星ブラックホールモデルの妥当性を検証することになると共に, スピン値や q が連星系パラメータとして決まります. すなわち OJ 287 の増光時期を決定することは, 一般相対性理論の観測的検証につながります.

(ダイジェスト解説・完)


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図4
図4: OJ 287 の超巨大ブラックホール連星系の想像図 (Dey et al. 2018
図5
図5: OJ 287 のブラックホール連星系の軌道の変化と増光時期の予測 (Dey et al. 2018

松本 桂 (大阪教育大学 天文学研究室)
e-mail: katsura@cc.osaka-kyoiku.ac.jp