Black hole binaries in shift-symmetric Einstein-scalar-Gauss-Bonnet gravity experience a slower merger phase
完全な非線形数値シミュレーションによれば、シフト対称なアインシュタイン・スカラー・ガウス・ボネ重力は、スカラー双極子放射によってブラックホール連星の合体を加速させる一方で、強重力場における保存的力学がこの加速を著しく抑制するため、ポスト・ニュートン近似から予測されるよりも合体フェーズが遅くなることが明らかになった。
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重力は宇宙を形作る力であり、惑星を軌道に留め、光の経路を曲げます。1世紀以上にわたり、この力の最善の説明はアルベルト・アインシュタインの一般相対性理論であり、これは重力を「引き」としてではなく、質量によって引き起こされる時空の歪みとして描いています。この理論はこれまで投げかけられたあらゆるテストをクリアしてきましたが、科学者たちは、重力が極めて強い最も過酷な環境においては、それが不完全な全体像である可能性があると考えています。これを探求するために、研究者たちは、現存する中で最も質量が大きく高密度な天体であるブラックホールの挙動における、微細な逸脱を探しています。2つのブラックホールが互いに螺旋状に近づき衝突するとき、それらは時空のさざ波である重力波を生み出します。これらの波は出来事の詳細な記録を運んでくるため、天文学者は衝突の最終局面を「聴き」、ゲームのルールがアインシュタインの予測と一致するのか、あるいは何か新しい何かが働いているのかを確認することができるのです。
特定の関心の対象となっているのは、アインシュタインの方程式に、まるでレシピに新しい材料を加えるかのように、新しい目に見えない場（フィールド）を加える理論です。そのような理論の一つである「シフト対称アインシュタイン・スカラー・ガウス・ボネ・重力」は、ブラックホールが単なる無限の密度の空虚な点ではなく、この新しい場の微かな、目に見えない雲に囲まれていることを示唆しています。この雲、すなわち「スカラー電荷」は、ブラックホール同士の相互作用を変えてしまいます。数十年にわたって用いられてきた数学的近似によれば、この余分な場によって、ブラックホールはアインシュタインの理論が予測するよりも早くエネルギーを失い、より急速に螺旋を描いて接近することになります。この加速は、LIGOやVirgoのような検出器によって容易に特定できる、明確で紛れもない信号になると期待されていました。しかし、これらの古い計算は、ブラックホールが離れている時にはうまく機能するものの、衝突するほど接近すると破綻してしまう単純化された仮定に依存していました。
ブラックホールが実際に接近したときに何が起こるのかを見るために、研究チームは、単純化されたショートカットに頼ることなく、衝突のフルで混沌とした現実をモデル化した強力なコンピュータ・シミュレーションを実行しました。彼らは、史上初めて検出されたものと同様のブラックホール合体（GW150914として知られる）のデジタルツインを設定し、新しい理論の下でそれがどのように進化するかを、標準的なアインシュタイン重力と比較しながら観察しました。結果が特定のプログラムによるグリッチ（誤作動）ではないことを確実にするために、彼らは2つの異なる独立したコンピュータ・コードを使用しました。シミュレーションの結果、新しい理論におけるブラックホールは、確かにアインシュタインのバージョンよりも早く合体したことから、目に見えない雲がプロセスを加速させることを裏付けました。しかし、その加速の度合いは、古い数学公式が予測していたほど劇的なものではありませんでした。その差は、近似法が示唆したような巨大で明白なギャップではなく、もっと微細な変化でした。
研究者たちは、この予想よりも小さな加速の理由が、ブラックホールがどのようにエネルギーを保持するかにあることを発見しました。新しい理論では、目に見えない雲の存在がブラックホールの結合の仕方を変えてしまいます。軌道を一定量縮小させるためには、システムはアインシュタインの理論よりも多くの総エネルギーを失う必要があります。それはまるで、ブラックホールが雲の引力に対してより激しく抗っており、接近するためにより大きなエネルギー消費を必要としているかのようです。雲による余分な放射が彼らをより早く押し寄せる一方で、この抵抗の増大がプロセスを減速させます。これら2つの効果が部分的に打ち消し合うことで、合体はアインシュタインの予測よりも速くなるものの、単純な公式が示唆したほどには速くならないのです。
この発見は、科学者が宇宙から受け取る信号をどのように解釈するかを変える重要なものです。もし研究者が、衝突の瞬間まで古い単純な公式が正しいと想定してしまうと、ブラックホールが実際よりも重かったり、回転が異なっていたりすると誤解してデータを解釈してしまう可能性があります。この研究は、軌道のゆっくりとした予測可能なフェーズから、混沌とした最終的な衝突への移行が、以前考えられていたよりも複雑であることを示唆しています。目に見えない雲は、単なるブレーキやアクセルとして機能するのではなく、重力が最も強くなる時にのみ現れる方法で、システムのエネルギーバランスを根本的に変えてしまうのです。つまり、これらの新しい理論を真に検証するためには、科学者は大まかな推定に頼ることはできません。自然が強重力領域に隠している微細な違いを解読するために、衝突の最初の音符から最後の静寂に至るまで、衝突という「歌」のすべてを聴く必要があるのです。
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