Spins of Black Holes in X-ray Binaries and the Tension with the Gravitational Wave Measurements

ブラックホールのスピンの物語：二つの測定値の間の不一致

宇宙を巨大なダンスフロアだと想像してみてください。一方には、今まさに衝突しようとしている（合体する）ブラックホールがいます。もう一方には、現在星を食べている（降着している）ブラックホールがいます。

科学者たちは、これらのブラックホールがどれくらいの速さで回転しているか（その「スピン」）を測定してきました。しかし、ここに問題があります。これら二つのグループのブラックホールは、まったく異なるリズムで踊っているように見えるのです。

• グループA（合体するもの）： 重力波（まるで雷鳴を聞くようなもの）を使って、ブラックホールが衝突する際の「音」を聞くと、彼らは非常にゆっくりと回転しているようです。彼らはまるで、ほとんど回転していない、怠け者のダンサーのようです。
• グループB（食べるもの）： 望遠鏡（光やX線）を使って、ブラックホールが星を食べている様子を観察すると、彼らは信じられないほど速く回転しているようです。彼らは、物理的な限界に近いスピードで回転する、限界突破したブレイクダンサーのようです。

この論文は、なぜこれら二つのグループがこれほどまでに違って見えるのかを解明しようとする探偵物語です。著者たちは、「怠け者のダンサー」（グループA）がおそらく真実を語っており、「ブレイクダンサー」（グループB）は私たちの測定ツールに欠陥があるために誤解されているのだと主張しています。

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1. 証拠：二つの異なる世界

重力波の証拠（「怠慢な」スピン）
二つのブラックホールが合体するとき、時空に「重力波」と呼ばれる波紋を送り出します。これらの波紋を分析することで、科学者はブラックホールが衝突する前にどれくらいの速さで回転していたかを知ることができます。

• 発見： データによれば、合体するブラックホールの多くは、非常に低いスピン（0から1のスケールで0.1から0.2程度）を持っています。
• 示唆： これは、これらのブラックホールが死にゆく星から誕生したとき、ゆっくりと回転していたことを示唆しています。また、巨大な星の内部では、「角運動量」（回転エネルギー）が核から外側へと非常に効率的に伝達され、崩壊する前に核の回転を遅らせていることを意味します。

X線による証拠（「高速な」スピン）
ブラックホールが伴星（隣の星）を食べているとき、そこにはX線で光る、熱く渦巻くガスの円盤（降着円盤）が形成されます。天文学者はこの光の形を研究することで、スピンを計算しようとします。

• 発見： 公表されている測定値の多くは、これらのブラックホールが非常に速く回転している（0.7から1.0）と述べています。
• 矛盾： これは大きな問題です。もし「食べる」ブラックホールが速いスピンを持って生まれたのだとしたら、なぜ「合体する」ブラックホールはゆっくりとしたスピンで生まれるのでしょうか？ また、もし彼らがゆっくりと生まれたのだとしたら、どうやって「食べる」ブラックホールはあんなに速くなったのでしょうか？

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2. 容疑者：なぜ測定値が間違っている可能性があるのか

この論文の著者たちは、「高速スピン」の測定値はおそらく間違っていると考えています。彼らは、食べているブラックホールを測定するために使われるツールには、ソフトウェアに深刻な「バグ」があると指摘しています。

容疑者 #1：反射法（「エコー」の問題）

スピンを測定する一つの方法は、ブラックホールの光がガスの円盤に跳ね返り、「エコー（反射）」を作り出す様子を見ることです。

• 欠陥： スピンを測定するためには、元の光と反射した光を区別しなければなりません。論文では、これは騒がしい部屋の中でささやき声を聞き取ろうとするようなものであり、どちらの音がどちらであるかを判別するのは極めて困難であると述べています。
• 比喩： 水たまりに映る反射を見て、車の速度を推測しようとするようなものです。もし水たまりが波立っていたり汚れていたりすれば、あなたの推測は間違ったものになります。論文は、この「水たまり」（光を分離するためのモデル）は、信頼するには波立ちすぎていて汚すぎると述べています。

容疑者 #2：連続体近似法（「不安定なテーブル」の問題）

もう一つのスピン測定法は、ガスの円盤の温度と色を見ることです。これは、ディスクの仕組みに関する標準的なモデル（「シャクラ・スニヤエフ・モデル」）に基づいています。

• 欠陥： この標準モデルは、ガスの円盤が不安定になり、バラバラになってしまうと予測しています。まるで脚のガタついたテーブルのようなものです。しかし、私たちが実際にブラックホールを観察すると、ディスクは岩のように固く安定しています。
• 比喩： 舗装された高速道路を走行しているのに、沼地の地図を使ってナビゲートしているようなものです。地図はあなたが泥の中に沈むはずだと予測していますが、実際には舗装路の上を走っています。地図（モデル）が間違っているため、そこから計算された制限速度（スピン）もまた間違っているのです。
• より優れたモデル： 論文では、「磁気的」モデルの使用を提案しています。ガスの円盤が目に見えない磁気のストローによって保持されていると想像してください。これらのモデルは安定しており、ガスが私たちが考えていたよりも高温であることを予測します。ガスがより高温であれば、数学的にはブラックホールはもっとゆっくり回転していることになります。

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3. 降着（食べること）によって加速できるのか？

もしかすると、ブラックホールはゆっくりと生まれた（合体グループのように）ものの、大量の物質を食べたことで加速したのでしょうか？

• 数学的計算： 降着によってブラックホールを「怠慢な」速度から「ブレイクダンサー」の速度まで回転を速めるには、自身の体重を超えるほどの膨大な量の物質を食べなければなりません。
• 問題点：
  • 高質量ドナー（大きな星）： これらのシステムは、それほど多くの量を食べるほど長くは続きません。時間が足りないのです。
  • 低質量ドナー（小さな星）： 理論的にはこれほど食べることは可能ですが、そのためにはドナーとなる星がもともと巨大（太陽の数倍の質量）であった必要があります。しかし、現在見えている星は小さいため、もともと小さかったことを示唆しています。
• 結論： 「食べる」ことだけで高いスピンを説明できる可能性は極めて低いです。

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4. 判決：実際に何が起きているのか？

著者たちは、この謎に対する解決策を提示しています。

1. 重力波のデータは正しい： ブラックホールは一般的に、ゆっくりとしたスピンを持って生まれます。
2. X線のデータには欠陥がある： 私たちが「食べている」ブラックホールに見ている高速のスピンは、光を解釈するための古すぎる、あるいは不正確なモデルによって引き起こされた錯覚です。
3. 真のスピン： もし、より安定したモデル（磁気的なサポートを持つものや、高温のガスの「温かいコロナ」を持つもの）を使用すれば、計算される「食べている」ブラックホールのスピンは下がり、合体するブラックホールのゆっくりとしたスピンと一致します。

「温かいコロナ」の比喩：
温度計を見て部屋の温度を測ろうとしていると想像してください。しかし、温度計のすぐ目の前でヒーターが熱風を吹き付けています。温度計は「暑い！」と表示しますが、部屋自体は実は「涼しい」のです。
論文は、この「ヒーター」が、ディスクの上に存在する熱いガスの層（温かいコロナ）であると示唆しています。以前のモデルはこのヒーターを無視していたため、ディスク自体がより高温であり、より速く回転していると考えていました。このヒーターを考慮に入れると、ディスクは実際にはもっと低温であり、スピンもずっと低いことがわかります。

まとめ

論文は、「食べている」ブラックホールのグループ間に存在する「緊張（不一致）」は、それらが異なる種類の物体だからではなく、私たちの「物差し」が曲がっているために起こっていると結論づけています。一度、物差し（モデル）を修正すれば、「ブレイクダンサー」たちは結局のところ「怠け者のダンサー」であったことが分かり、宇宙の理（ことわり）は再び整合することになります。