世紀の探索の後、ついに重力波を検出しました| 科学| スミソニアン - 記事、科学、宇宙

科学者は、重力のアリアを初めて聞いた。

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2つのブラックホールが互いに向かってらせん状になって合体すると、物理学者が1世紀にわたって予測したまさにその形で、宇宙のファブリックに波紋が作成されました：重力波。一連の国際記者会見で本日発表されたこの信号は、宇宙のまったく新しい理解への道を開きます。

「宇宙が重力波を通して私たちに話しかけたのはこれが初めてです。これまで私たちは耳が聞こえませんでした」とフロリダ大学のLIGO研究所所長デイビッド・ライツェはワシントンDCでの記者会見で今日語った。

重力波の根底にあるのは、アルバートアインシュタインの重力理論です。これは、質量を持つものはすべて時空の構造そのものをゆがめると言います。巨大なオブジェクトが移動すると、宇宙のファブリックに歪みが生じ、重力波が発生します。これらの波は、空気中を脈動する音波のように宇宙全体に波及します。

アインシュタインの理論では、宇宙には重力波が満ちていると予測されていますが、これまでは重力波が非常に弱いため、それらを検出することができませんでした。しかし、昨年アップグレードされた機器が公式にオンラインになる前でさえ、レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）は、13億光年離れた2つのブラックホールの強力な衝突から明確な信号を拾いました。

NASAのゴダード宇宙飛行の重力天体物理研究所の責任者であるJoan Centrella氏は、「最初のサイエンスランでLIGOがまだ設計感度に近づいていないときに重力波信号を検出するのは驚くべきことです。ゴダードの天体物理学部門の副所長になる前のセンター。

この爽快感は、LIGOのルイジアナ州リヴィングストン天文台と、チームが発表した他の地域全体に波及しました。天文学者が宇宙について学んだほとんどすべては、可視光、電波、X線などのさまざまな形の光から来ています。しかし、地震波が地球の奥深くに隠された構造を明らかにすることができるように、重力波は光でさえも明らかにできない宇宙の隠された特性に関する情報を運びます。

カリフォルニア工科大学のLIGO共同設立者で重力物理学者であるキップ・ソーンは、記者会見で次のように述べています。「そして私たちは今日、大きな勝利を収めています。これは、宇宙を観察するまったく新しい方法です。」

初期の手がかり

重力波の探求は、アインシュタインの一般相対性理論の出版から1世紀前に始まりました。 1970年代半ば、物理学者のラッセルA.ハルスとジョセフH.テイラー、ジュニアは、これらの波紋が存在するという非常に説得力のある証拠を獲得しました。彼らは、2つの高密度中性子星（かつては大質量星の粉砕されたコア）が互いに軌道を回るのにかかった時間を測定しました。

アインシュタインの仕事に基づいて、彼らは、これらの星が回転するときに重力エネルギーを放射しているはずであり、その失われたエネルギーがそれらを互いに向かってらせん状にさせるはずであることを知っていました。次の数年間2つの星を研究した後、彼らは軌道が一般相対性理論によって予測された量だけ正確に減少するのを見ました。

その発見は、1993年にノーベル物理学賞を受賞しましたが、ほとんどの物理学者は、それを重力波の直接検出とは呼びません。

2001年、LIGOは1, 875マイル離れた2つの場所で運転を開始しました。1つはルイジアナ州リビングストン、もう1つはワシントン州ハンフォードです。数年後、ヨーロッパの重力波望遠鏡Virgoもオンラインになりました。どちらも、アップグレードのためにオフラインになる前に、それぞれ2010年と2011年まで稼働しました。

科学者たちは、これらの最初の天文台が重力波を捉えることを望んでいましたが、彼らはそれがロングショットであることを知っていました。これらの波紋は非常に弱い信号であり、楽器はささやきを聞くのに十分な感度がありませんでした。ただし、最初の実行は、次世代の機器のテクノロジーのテストとして機能します。

乙女座はまだアップグレードされていますが、LIGOチームは2015年に両方の検出器での作業を完了しました。現在、アドバンストLIGOと呼ばれるルイジアナとワシントンの観測所は、2015年9月18日から1月12日までの最初の科学観測実行中に重力波を聞きました2016年。本日発表された信号は、チームが検出器の動作テストを実行していたため、最初の公式実行の直前に取得されました。

レーザー精度

地球を通過する波を感知するには、多くの巧妙なエンジニアリング、コンピューターのパワー、および世界中で働く1, 000人以上の科学者が必要でした。

各L字型LIGO観測所の内部では、レーザーが2つの垂直なチューブの交点に置かれます。レーザーは、光を分割する機器を通過するため、2本のビームが各チューブを約2.5マイル下に進みます。チューブの端にあるミラーは、検出器が待機する光源に向かって光を反射します。

通常、検出器に光は当たりません。しかし、重力波が通過するとき、それは予測可能なパターンで時空を伸ばして押しつぶし、管の長さを陽子の直径の1000分の1程度に効果的にわずかに変えます。その後、いくらかの光が検出器に当たります。

信じられないほど小さな変化を説明するために、機器のミラーは、ほとんどの振動から隔離する複雑なシステムに取り付けられています。 LIGOの科学者には、時折の振戦などのさまざまな種類のバックグラウンドノイズをフィルタリングし、一般的な相対性理論を使用して計算された天文ソースと着信信号が一致するかどうかを判断できる特別なコンピュータープログラムもあります。

ルイジアナとワシントンのサイトは、目撃情報を検証するために協力しています。「重力波が2つのサイト間を移動するのにかかる時間内に両方の検出器が同じ信号を検出しない限り、重力波が発生するとは考えていません」と、ルイジアナ州立大学のLIGOチームメンバーAmber Stuver氏は言います。この場合、波は地球を通過し、わずか7ミリ秒離れた2つの検出器に当たります。

ルイジアナとワシントンのサイトが重力の可能性のある調子を検出すると、科学者は分析に取り掛かります。 LIGOは9月14日にこの信号を受信しましたが、今では重力波を目にしたことを非常に確実に言うことができるだけです。

「何ヶ月もかけて注意深くチェック、再チェック、分析し、すべてのデータを操作して目撃情報を確認する必要がありました」とReitze氏はDCイベントで語りました。「そして、私たちはそうであると確信しました。」結果は今週のPhysical Review Lettersに表示されます。

ルイジアナ州リヴィングストンのLIGO検出器の航空写真。（LIGO研究室）

天文学者が最新の観測から引き出した重力波信号は、互いに向かって渦巻いている2つのブラックホールに期待したものと一致しました。ダンスは、物体の距離と質量に応じて、予測可能な周波数と強度で重力波を送り出します。

彼らが近くで踊り始めると、重力波の波長が短くなり、彼らの歌はより高い音程に達します。ブラックホールが最後の抱擁のために近づくと、重力波信号は、天文学者がそれを呼ぶように、1つの最後の高音、または「チャープ」を持ちます。

9月の信号は、太陽の質量の約29倍と36倍に等しい質量を持つ2つのブラックホールからチームが期待するものと美しく整列します。これらのブラックホールは、太陽の質量の62倍の新しいブラックホールを作成し、3つの太陽質量の重力エネルギーを放射します。

予想外を期待する

この最初の検出により、天文学者はAdvanced LIGOが引き続き重力波を捕捉し、超新星の仕組みの解明から宇宙の最初の数瞬間の学習に至るまで、あらゆる種類の科学研究のデータの構築を開始することを期待しています。他の天体望遠鏡ではこのブラックホールの衝突の兆候は見られませんでしたが、Advanced LIGOが探している他のソースの一部には、光を捕らえる望遠鏡に対応するものが見えるはずです。

これは、Advanced LIGOの感度がまだ完全ではないことを考えると特に有望なようです。 Stuver氏は次のように述べています。

これらの信号はそれぞれ、天文学者にこれまでになかったものを提供します。重力の極端な場合と見えない物体の動きを探る方法です。さらにエキサイティングな、天文学者は、技術の進歩ごとに、宇宙は私たちを驚かせる方法を持っていることを知っています。

「新しい方法と異なる種類の光で見るたびに、私たちは見つけることを期待していなかった何かを発見します。そして、宇宙の理解に革命をもたらすのはその予期しないことです。」天文学者が空に無線アンテナを向けた後、パルサーと呼ばれる予想外のタイプの中性子星を発見しました。そして、おそらく詩的には、1970年代にハルスとテイラーが研究した軌道ダンスを行うパルサーと中性子星でした。

今、重力波天文学の夜明けとともに、科学者は宇宙をサンプリングするための新しいツールを手に入れました。そして、その音から、私たちはいくつかの美しい音楽を求めています。

編集者注：ジョーン・セントレラの所属は修正されました。