高度なレーザー干渉計重力波観測所は、1年半で3回目に重力波を検出しました。 1世紀前にアインシュタインによって仮説が立てられた、時空におけるこれらの波紋の特定-3回目は、劣らず-は、何十年も科学者を魅了してきた天文学の分野の約束を果たしていますが、私たちのリーチ。
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重力波天体物理学者であり、LIGO Scientific Collaborationのメンバーである私は、私たちの多くが現実になっているというビジョンを見ることに自然に興奮しています。 しかし、私は自分の作品を他の人よりも面白くてエキサイティングなものにすることに慣れているので、この成果に全世界が魅了されているように思える程度は驚きの種となりました。
しかし、興奮は当然のことです。 これらの重力波を初めて検出することにより、説得力のある壮大なファッションにおけるアインシュタインの一般相対性理論の重要な予測を直接検証しただけでなく、宇宙の理解に革命をもたらすまったく新しいウィンドウを開きました。
すでにこれらの発見は、宇宙の理解に影響を与えています。 そして、LIGOはまだ始まったばかりです。
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本質的に、宇宙を理解するこの新しい方法は、サウンドトラックを聞く新しい発見された能力に由来します。 重力波は実際には音波ではありませんが、類推は適切です。 両方のタイプの波は、同様の方法で情報を伝達し、光から完全に独立した現象です。
重力波は、時空の波紋であり、宇宙の激しい暴力的でエネルギー的なプロセスから外側に伝播します。 それらは光らない物体によって生成され、吸収されたり歪められたりすることなく、塵、物質、またはその他のものを通過できます。 それらは、元の状態で私たちに到達するソースに関する一意の情報を運び、他の方法では取得できないソースの真の感覚を与えます。
一般相対性理論は、とりわけ、いくつかの星が非常に密になり、他の宇宙から離れてしまうことがあることを教えてくれます。 これらの異常なオブジェクトはブラックホールと呼ばれます。 一般相対性理論はまた、ブラックホールのペアがバイナリシステムで互いの周りをしっかりと周回すると、宇宙のまさしくその時空をかき立てると予測しました。 重力波の形で宇宙全体にエネルギーを送るのは、この時空の乱れです。
そのエネルギーの損失により、バイナリがさらに引き締められ、最終的に2つのブラックホールが一緒に粉砕され、1つのブラックホールが形成されます。 この壮観な衝突は、宇宙のすべての星が結合して光として放射されるよりも、重力波でより多くのパワーを生成します。 これらの壊滅的なイベントは数十ミリ秒しか続きませんが、その間、ビッグバン以来の最も強力な現象です。
これらの波は、望遠鏡は光を放射しない物体を見ることができないため、他の方法では得られない可能性のあるブラックホールに関する情報を運びます。 各イベントについて、ブラックホールの質量、その回転速度または「スピン」、およびさまざまな程度の確実性でそれらの位置と方向に関する詳細を測定できます。 この情報により、これらのオブジェクトがどのように形成され、宇宙の時間にわたって進化したかを知ることができます。
重力が周囲の星やガスに及ぼす影響に基づいてブラックホールが存在するという強力な証拠が以前にありましたが、重力波からの詳細な情報は、これらの壮大なイベントの起源を知るために非常に貴重です。
ルイジアナ州リヴィングストンのLIGO重力波検出器の空撮。 （LIGO、CC BY-NC-ND） **********
これらの非常に静かな信号を検出するために、研究者は2つのLIGO機器を構築しました。1つはワシントン州ハンフォードに、もう1つはルイジアナ州リビングストンに3, 000マイル離れた場所にあります。 それらは、重力波が遭遇するあらゆるものに及ぼすユニークな効果を活用するように設計されています。 重力波が通過すると、物体間の距離が変化します。 現在、重力波があなたの中を通過しており、頭、足、そしてその間にあるすべてのものを、予測可能な方法で、しかし知覚できない方法で前後に動かしています。
変化は非常に小さいため、この効果を感じることも、顕微鏡で見ることもできません。 LIGOで検出できる重力波は、長さ4キロメートルの検出器の両端間の距離をわずか10⁻1メートル変化させます。 これはどれくらい小さいですか？ 陽子のサイズの千倍も小さいので、顕微鏡でも見ることができないのです。
光学サスペンションに取り組んでいるLIGOの科学者。 （LIGO Laboratory、CC BY-ND） このような微小距離を測定するために、LIGOは「干渉法」と呼ばれる技術を使用します。研究者は、単一のレーザーからの光を2つの部分に分割します。 次に、各パーツは、長さが2.5マイルの2つの垂直アームのうちの1つを下に移動します。 最後に、2つは再び結合され、互いに干渉することが許可されます。 重力波がない場合、レーザーの干渉によりほぼ完全に相殺されるように、干渉計から光が出ないように、機器は慎重に較正されています。
ただし、通過する重力波は、一方の腕を絞ると同時に一方の腕を伸ばします。 アームの相対的な長さが変更されると、レーザー光の干渉は完全ではなくなります。 Advanced LIGOが実際に測定している干渉の量のこの小さな変化であり、その測定は通過する重力波の詳細な形状がどうあるべきかを教えてくれます。
聴く
2つのブラックホールが衝突する音：すべての重力波は「チャープ」の形をしており、信号の振幅（音の大きさ）と周波数（ピッチ）の両方が時間とともに増加します。 ただし、ソースの特性は、このチャープの正確な詳細と、時間とともにどのように進化するかでエンコードされます。
私たちが観測する重力波の形状は、他の方法では測定できなかったソースの詳細を教えてくれます。 Advanced LIGOによる最初の3つの確実な検出により、ブラックホールは予想以上に一般的であり、大規模な星の崩壊から直接形成される最も一般的な種類は以前よりも大きくなることがすでにわかっています考えられました。 これらすべての情報は、巨大な星がどのように進化して死ぬかを理解するのに役立ちます。
LIGOによって確認された3つの検出（GW150914、GW151226、GW170104）、および1つの低信頼度検出（LVT151012）は、一度結合すると、20を超える太陽質量よりも大きい恒星質量バイナリブラックホールの集団を指します以前に知られていた。 （LIGO / Caltech / Sonoma State（Aurore Simonnet）、CC BY-ND） **********
2017年1月4日に検出したこの最新のイベントは、これまでに観測した最も遠いソースです。 重力波は光の速度で伝わるので、非常に遠い物体を見るとき、時間を振り返ります。 この最新のイベントは、20億年以上前に発生した、これまでに検出された最も古い重力波源でもあります。 当時、宇宙自体は現在よりも20パーセント小さく、地球上ではまだ多細胞生物は発生していませんでした。
この最後の衝突後に残された最終的なブラックホールの質量は、太陽の質量の50倍です。 太陽の質量の60倍の重さで最初に検出されたイベントの前に、天文学者はこのような巨大なブラックホールがこのように形成されるとは考えていませんでした。 2番目のイベントはたった20の太陽質量でしたが、この追加の非常に大規模なイベントの検出は、そのようなシステムが存在するだけでなく、比較的一般的であることを示唆しています。
ブラックホールは質量に加えて回転することもあり、そのスピンは重力波放射の形状に影響します。 スピンの効果を測定することはより困難ですが、この最新のイベントは、スピンだけでなく、潜在的にバイナリの軌道と同じ軸の方向を向いていないスピンの証拠を示しています。 将来の出来事を観察することにより、このようなミスアライメントのケースをより強くすることができる場合、これらのブラックホールのペアがどのように形成されるかを理解するために重要な意味を持ちます。
今後数年のうちに、LIGOのような楽器がイタリア、日本、インドで重力波を聞き取り、これらのソースについてさらに学習します。 同僚と私は、少なくとも1つの中性子星を含む連星の最初の検出を待ち望んでいます。これは、ブラックホールまで完全に崩壊するほど十分に大きくないタイプの高密度星です。
ほとんどの天文学者は、中性子星のペアがブラックホールのペアの前に観測されると予測したので、それらの継続的な不在は理論家に挑戦を提示するでしょう。 それらの最終的な検出は、非常に高密度の物質の状態をよりよく理解し、重力波信号と同じソースからの従来の望遠鏡を使用してユニークな光サインを潜在的に観察する見通しを含む発見の新しい可能性のホストを促進します。
また、パルサーと呼ばれる非常に正確な自然時計を使用して、今後数年以内に宇宙からの重力波を検出し、非常に規則的な間隔で放射線を吹き付けます。 最終的には、高度なLIGO検出器のノイズの制限ソースである地球の持続的なゴロゴロを回避できる、非常に大きな干渉計を軌道上に配置する予定です。
科学者が新しい望遠鏡や粒子加速器を構築するたびに、彼らは誰も予測できなかったことを発見しました。 重力波天体物理学のこの新しい分野では、発見の既知の見通しと同じくらいエキサイティングであり、理論家として、私たちにとって未だに存在する未知の不思議に最も興奮しています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
ウェストバージニア大学物理学および天文学の助教授、Sean McWilliams
