重力波を見つけるために原子時計を宇宙に送る科学| スミソニアン - スミソニアンの記事、科学、宇宙、技術、宇宙

ほとんどの場合、重力の影響を検出するのはそれほど難しくありません。スカイダイバーは、飛行機から降りた瞬間に地面に向かって突進します。宇宙望遠鏡のおかげで、光は銀河の巨大なグループによって見事なリングに歪んでいるのを見ることができます。しかし、強力な宇宙の出来事によって引き起こされる重力波、時空のさざ波を検出することは特に難しいことが証明されています。

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これらのスペイシートリートには、銀河のスマイリーフェイスと星間ローズが含まれています
いいえ、重力波を検出していません（まだ）

これまでのほとんどの試みは、時空の波紋が光と物質に影響を及ぼすと予想される方法を探してきました。現在、米国とイスラエルの科学者は、宇宙の代わりに時間への影響を調べると、波をより速く、より安く見つけることができると考えています。

重力波の狩りは、アルバートアインシュタインが彼の一般相対性理論の一部として存在すべきだと予測した1916年以来続いています。彼は、時空は布のようなものであり、重力として私たちが感じるのは、その布の大きな物体によって引き起こされる湾曲であると主張しました。たとえば、毛布につり下げられたボウリングのボールのように、私たちの巨大な惑星地球はその周りを時空で曲がっています。

理論はまた、ブラックホールのような非常に大きな物体が合体すると、重力爆発が時空を介して外側に伝播する波紋を送ることを示唆しています。それらを検出すると、アインシュタインの理論を検証し続けるだけでなく、科学者たちが重力波を使って宇宙全体の見えない出来事を調べることができるため、宇宙に新しい窓が開かれます。しかし、重力波の証拠はとらえどころのないものでした。その理由の大部分は、波が遠くに行くほど弱くなり、数十億光年離れた宇宙の端に多くの重力波源が見つかるからです。

昨年、BICEP2と呼ばれる実験が、初期宇宙での突然の成長スパートによって生成された原始重力波のタイプに関連するかすかな信号を検出したと主張しました。しかし、後の分析では、BICEP2チームが天の川の渦巻く塵以上のものを見たという信頼性が低下したため、主張は時期尚早でした。

2034年に打ち上げられる予定の欧州宇宙機関の計画されたeLISA天文台は、異なる種類の波を検出するように設計されています：超巨大ブラックホールペアの合併によって生成されたミリヘルツ範囲または低周波の重力波。科学者たちは、私たち自身を含む多くの大きな銀河の中心に超大質量ブラックホールを発見しました。このような2つの銀河の合体は、宇宙全体に広がる重力波を放出すると予測されています。それらを見つけるために、eLISAはレーザーを使用して、重力波が通過するときに発生するはずの宇宙船フリートの間隔の小さな変化を測定します。

新しい論文では、ハーバードスミスソニアン天体物理学センターのアビローブとテルアビブ大学のダニマオズが、最近の計時の進歩により原子時計がeLISAよりも速くて安価に重力波を検出できると指摘しています。彼らは、重力効果が時間を遅らせることができる時、時間膨張と呼ばれる現象を検出することができる太陽の周りの異なるポイントに配置された原子時計の配列の提案を概説します。

eLISAと同様に、彼らの計画では、宇宙船が編隊飛行してレーザーを使用して通信することも必要です。しかし、距離の変化に関する情報を中継する代わりに、レーザーは、宇宙船に搭載された同期原子時計間の計時の小さな不一致を追跡します。

予測される時間的変化はごくわずかです。「タイミングの精度が100億兆分の1の部分について話しているだけです」とローブは言います。「この種の変化を検出するには、45億年、または地球の全年齢で動作する場合でも、1/10秒しか増減しない時計が必要です。」

最近まで、この種の精度は、セシウム元素を使用する原子時計の能力を超えていました。セシウムは、現在の国際標準の計時の基礎です。しかし、2014年の初めに、国立標準技術研究所（NIST）の物理学者は、精度と安定性の両方で新しい世界記録を樹立した実験的な「光学格子」原子時計を発表しました。これらのクロックは光周波数で動作するため、マイクロ波を使用して時間を保持するセシウム原子時計よりも高い精度を提供します。

理論上、光学原子時計は、重力波から予測される小さな時間シフトを検出するために必要な精度を提供できます。ローブとマオズは、eLISAよりも強力なレーザーを必要としないため、設計がよりシンプルで、より低コストで実現できると主張しています。低精度の原子時計はすでにGPS衛星で使用されているため、ローブは、原子時計の新世代を宇宙に送ることも可能であるべきだと考えています。

2つの宇宙船は、適切な距離を置いて配置され、通過する重力波のピークとトラフの両方を感知できました。（Loeb et al。、arxiv.org）

最適なセットアップは、太陽の周りの地球の軌道を共有する双子の宇宙船に取り付けられた原子時計のペアです。主要な宇宙船はまた、クロックから来る信号を調整するために軌道上にあります。時計を搭載した船は、約9, 300万マイル（およそ地球と太陽、または1天文単位（AU）の距離）離す必要があります。

「それは素晴らしい偶然です。なぜなら、1つのAUがたまたま[低周波]重力波の波長の半分にほぼ等しいためです。言い換えれば、それは太陽系を通過する重力波のピークとトラフの両方を検知するのに正確に適切な距離であるため、これら2つのポイントに配置された原子時計は最大の時間膨張効果を経験します。

今のところ、そのようなミッションは、宇宙機関のワークベンチや予算案にはありません。しかしローブは、このアイデアがeLISAの代替案をより慎重に研究するきっかけになることを望んでいます。 eLISAプロジェクトは「何十年にもわたる議論から恩恵を受けたため、この代替設計を少なくとも数か月間は研究前に却下できるようにする必要があります。」

ローブは、GPS精度の向上や通信の改善など、より正確な原子時計を宇宙に持ち込むことから、多くの実用的なアプリケーションがあると付け加えています。彼は、政府機関ではなく、商業目的で企業が最初の光格子時計を発売できると考えています。「それが起こると、それから得られる科学は副産物になります」と彼は言います。

コロラド大学の物理学者であり、NISTフェローであるJun Yeは、重力波の探索を含む基本的な物理をテストするための光学原子時計の使用に関するローブとマオズの提案は「新しい知的前線を開く」と言います。「光クロックのさらなる改善と、そのようなアプリケーションでの最終的な使用については楽観的です」とYe氏は言います。