ブラックホールの合体は時間を生むのか？ LIGOのデータに聞いてみた

なぜ時間は流れるのでしょうか？物理学者Richard Mullerと共著者のShaun Maguireによる一風変わった答えは、宇宙が膨張によって新しい空間を生み続けるのと同じように、新しい時間も生み続けているというものです。「今」は、新しい時間が付け加えられる境界だというわけです。

検証できない話に聞こえますが、彼らはその効果が現れうる場所を指摘しました。ブラックホールが合体すると、大量の新しい空間が一度に生まれます。それに伴って新しい時間も生まれるなら、合体の終わりから来る重力波は、アインシュタインの方程式が予測するより少し遅れて私たちに届くはずです。

私たちはこの考えを取り上げ、その一つの形を実際のデータで検証しました。

検証したモデル

MullerとMaguireは、新しい時間を空間の体積と結び付けています。問題は、体積が時空を空間と時間にどう切り分けるかによって変わることです。そのため、彼らのモデルには特別に優先される切り分け方が必要ですが、実験がそれを許す余地はごくわずかです。

そこで私たちは、新しい時間を、すべての観測者が一致する量、つまりブラックホールの事象の地平面の面積と結び付けました。ブラックホールが合体すると、最終的な地平面は元の二つの面積の合計より大きくなります。その増加面積に応じて遅れが大きくなるようにしました。

delay = β × √(added horizon area / 4π) / c

ここでβは唯一の自由な数値パラメータです。この考えが最も単純な形で正しいなら、 βは約1です。そのような効果がなければ、βは0です。

これまでに記録された中でも特に強いブラックホール合体信号の一つであるGW250114では、 β = 1は約0.36ミリ秒の遅れに相当します。その遅れは、地平面がつながる最後の数ミリ秒の間に現れます。

地平面がつながる時点を私たちが選んだわけではありません。ブラックホール合体の公開計算機シミュレーション（SXSカタログ）から読み取りました。そこでは、重力波のピークより約7–8系の質量単位前に共通の地平面が現れます。

Gravitational Wave Open Science CenterからGW250114のLIGOデータをダウンロードし、二つのモデルを同時にフィットしました。標準的な波形と、地平面がつながる時点から遅れを加えた同じ波形です。フィットによって、データと整合する遅れの範囲が得られます。

実際のデータで得た答えを信頼する前に、二通りの方法で手法を確認しました。

手法の検証

重要なのは右のパネルです。β = 1の遅れ（紫）なら容易に見つかったはずです。実際のデータ（青）は、それよりずっと左に位置しています。

独立した二つの波形モデルを使うと、GW250114のデータから次の結果が得られます。

二つ目の合体、GW250207も追加しました。この解析で使えるのは三つの検出器のうち二つだけなので、制約はかなり弱く、単独ではβ = 0とβ = 1を区別できません。 GW250114と組み合わせても、上限はβ < 0.79のままです。

遅れの事後分布

これは一つの具体的な考えに対する制約です。その考えを裏付ける証拠でも、時間一般についての主張でもありません。率直に挙げておくべき注意点があります。

公開カタログには、同じ選別条件を通過する強い合体がさらに十一あります。そのうち最も強い三つの解析が今進行中です。この考えが間違っているなら、上限は厳しくなるはずです。β = 1が正しいなら、イベントはその値へ結果を引き寄せ始めるはずです。

表、すべての確認、参考文献を含む完全な報告はこちらのPDFにあります。ブラックホールの合体は時間を生むのか？ GW250114による制約。

データ：Gravitational Wave Open Science Center（gwosc.org）、LIGO、Virgo、KAGRA。シミュレーション：SXSカタログ。解析：bilbyとdynesty。