近づく双子の天体、ブラックホール合体への道も開く

2026-06-05 国立天文台

法政大学、東京大学、北京大学および国立天文台の研究チームは、連星系の周囲に存在するガスと磁場が、二つの天体の距離を縮める重要な役割を果たすことを大規模シミュレーションによって明らかにした。従来、連星を取り囲むガスは天体同士を引き離す可能性も指摘されていたが、本研究では外部から流入するガスと磁場を考慮したモデルを構築し、国立天文台のスーパーコンピュータ「アテルイII」「アテルイIII」を用いて解析した。その結果、磁場によって乱されたガス流や磁力線に沿って噴出するアウトフロー(ジェット)が形成され、連星の回転角運動量を外部へ運び去ることで、連星間距離が徐々に縮小することが判明した。この仕組みは原始星連星の形成過程だけでなく、銀河合体後に形成される巨大ブラックホール連星にも適用可能である。巨大ブラックホール同士が重力波放射による最終合体に至るためには十分接近する必要があるが、本研究はガスと磁場の相互作用がその接近を促進する新たな物理機構を提示した。異なるスケールの天体現象を統一的に説明する可能性を示した成果である。

近づく双子の天体、ブラックホール合体への道も開く
「アテルイIII」によって計算された連星周囲のガスの様子。青で示したガスは周連星円盤(連星を取り囲む円盤)、赤で示したガスは星周円盤(各々の星を取り囲む円盤)を表す。2個の濃い灰色の球は連星の位置を表す。星から垂直に伸びる緑色の二対の構造は星から放出されるガス(アウトフローまたはジェットと呼ぶ)を表す。アウトフローの芯に磁力線を表示している(クレジット:Matsumoto, Hotokezaka, Inayoshi 2026)

<関連情報>

磁場によって誘発される連星系と周連星円盤の合体:ブラックホールと原始星系 Magnetic-field-induced inspiral of binaries with circumbinary disc: black hole and protostellar systems

Tomoaki Matsumoto ,Kenta Hotokezaka ,Kohei Inayoshi
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  Published:10 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/mnras/stag669

ABSTRACT

The orbital decay of binary systems is a critical process for understanding the evolution of massive binary black holes (MBBHs) and binary star formation. Performing high-resolution three-dimensional magnetohydrodynamic simulations, we investigate a binary system that accretes gas from an infalling envelope analogous to the collapse of molecular cloud cores in the context of binary star formation. Our simulations reveal the presence of outflows/jets launched from both the circumstellar (mini) discs and the circumbinary disc (CBD). The magneto-rotational instability is also excited within the CBD. These magnetic processes efficiently transport angular momentum in the gas surrounding the binary and thereby drive orbital decay, while a purely hydrodynamical model exhibits orbital expansion. The decay rate reaches ~0.3-0.7 per cent per orbital period, depending on the initial magnetic field strength. By appropriately scaling these numerical results, we propose a new mechanism for MBBH mergers within a Hubble time, overcoming the bottlenecks encountered at separations near the final parsec scales. Additionally, we present a formation scenario for close twin binary star systems, emphasizing the significant role of magnetic processes in driving orbital evolution across various astrophysical systems.

1701物理及び化学
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