重力波の初検出

2015年9月14日、アメリカのLIGOとヨーロッパのVirgoという重力波望遠鏡の研究チームは、重力波の直接検出に世界で初めて成功しました。この画期的な発見は、2016年 2月11日に発表され、科学界に大きな衝撃を与えました。それまで重力波の存在は、連星パルサーの観測から間接的に示唆されていたに過ぎなかったのです。

重力波の波形

LIGOが検出した重力波の波形は、36太陽質量と29太陽質量の連星ブラックホールが合体する際に生じる波形と見事に一致しました。この重力波は「GW150914」と名付けられ、連星ブラックホールの合体という現象が初めて直接捉えられた瞬間となりました。この発見は、恒星質量ブラックホールの連星が存在すること、そしてそれらが宇宙の歴史の中で合体しうることを示しました。

重力波の直接検出は、50年以上にわたる研究者たちの夢であり、アインシュタイン自身も検出可能性に疑問を抱いていたため、世界中で大きなニュースとなりました。この合体によって生じた重力波は、時空のさざ波として地球に到達し、LIGOの4キロメートルのアームを、陽子の1/1000という極めてわずかながらも伸縮させました。これは、太陽に最も近い恒星プロキシマ・ケンタウリまでの距離が、髪の毛一本分伸縮するほどの変化です。

合体時のエネルギー

2つのブラックホールが合体する際に放出されたエネルギーは膨大で、3.0+0.5−0.5太陽質量分のエネルギーが重力波として放出されました。これは、観測可能な宇宙にあるすべての星が放出するエネルギーの総計を上回るものでした。このエネルギーは合体の最後の数ミリ秒でピークに達し、3.6+0.5−0.4×10^49ワットという途方もないエネルギーを記録しました。

重力波とは

重力波とは、アインシュタインが1916年に一般相対性理論に基づいて予言した、時空の歪みが波のように伝わる現象です。一般相対性理論では、質量を持つ物体は時空を歪ませ、その歪みが重力として現れると考えます。アインシュタインは、時空の歪みが波のように宇宙を伝搬する現象を予言しましたが、その波は非常に微弱であるため、検出は困難だと考えていました。

宇宙で最も強い重力波が発生するのは、中性子星やブラックホールといった高密度な天体が合体する瞬間です。これらの天体は、重力波を放出しながら徐々にエネルギーを失い、最終的に合体します。合体直前には、天体の移動速度は極限まで速くなり、合体時には大量の質量が重力エネルギーに変換され、重力波として宇宙に放出されます。しかし、この現象が宇宙でどれくらいの頻度で発生するのかは、これまでほとんど解明されていませんでした。

重力波の観測

重力波の観測には、間接的な方法と直接的な方法があります。

間接的な観測

重力波の存在が初めて間接的に示されたのは、1974年の連星中性子星系「PSR B1913+16」の観測でした。この連星系を構成する中性子星の一つがパルサーとして規則的な電波パルスを放出し、その周期が徐々に短くなっていることが観測されました。この周期の短縮は、重力波の放出によって連星系の軌道が縮小していることと一致し、この発見によってハルスとテイラーは1993年にノーベル物理学賞を受賞しました。

直接的な観測

重力波を直接検出するためには、極めて高精度な装置が必要となります。1960年代に提唱された干渉計という技術が、検出に結びつきました。現在の重力波望遠鏡では、レーザー光を二つに分割し、異なる経路を通した後に再び一つに合わせることで、重力波による光路長の微小な変化を検出します。重力波が検出器に到達すると、光路長がわずかに変化し、うなりが生じます。このうなりを検出することで、重力波の存在を特定することができます。LIGOは、約3000キロメートル離れた2つの観測所で同時に観測を行い、信号を比較することで重力波かどうかを判断しています。

LIGOは2002年から2010年まで観測を行いましたが、有意な信号は検出されませんでした。その後、感度を向上させるためのアップグレードが行われ、2015年2月に試験観測を開始、同年9月18日から正式な科学観測を開始する予定でした。しかし、その試験観測期間中の9月14日に、GW150914が検出されたのです。

GW150914

検出

GW150914は、2015年9月14日世界時09:50:45に、LIGOのハンフォードとリビングストンの両観測所で検出されました。当初は、人為的な信号である可能性も考慮されましたが、その後の解析で、実際の重力波であることが確認されました。信号は0.2秒間にわたって記録され、周波数は35ヘルツから250ヘルツに増加し、同時に振幅も増加しました。この周波数は人間の可聴域にあり、鳥のさえずりのようにも聞こえました。

起源天体

この重力波の発生源は、光度距離で約440メガパーセク、約14億光年の彼方にある連星ブラックホールでした。35太陽質量と30太陽質量の2つのブラックホールが合体し、62太陽質量のブラックホールになった際に、3太陽質量分のエネルギーが重力波として放出されました。

合体の最後の20ミリ秒間には、重力波の放射強度がピークに達し、観測可能な宇宙に存在するすべての星の放射の合計エネルギーよりも50倍も大きなものになりました。また、合体直前のブラックホールの速度は、光速の30%から60%に達しており、その軌道半径はわずか350キロメートルでした。これらの数値は、合体した天体がブラックホールでなければならないことを示唆しています。

天空上での位置

重力波検出器は、全天を観測できる一方で、天体の位置を特定する能力は高くありません。GW150914は、LIGOの2つの観測所でのみ検出されたため、その位置を正確に特定することはできず、南天の広い範囲内に存在すると推測されました。

ガンマ線観測

GW150914の検出後、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡が、同じ位置から弱いガンマ線バーストを検出しました。しかし、ブラックホールの合体ではガンマ線バーストが発生することは考えにくく、他の観測衛星のデータから、このガンマ線が重力波源に由来するものではない可能性が高いとされました。

重力波検出の意義

GW150914の検出は、重力波天文学という新たな分野の幕開けを告げるものでした。これまで、天文学者は電磁波や粒子を用いて宇宙を観測してきましたが、ブラックホールのように電磁波を発しない天体は、従来の観測方法では観測できませんでした。重力波を用いることで、これまで見えなかった宇宙の姿が観測できるようになることが期待されています。

今後の展望

LIGOは、さらなるアップグレードによって感度を向上させ、より多くの重力波を検出することが期待されています。また、世界中の重力波望遠鏡の連携によって、天体の位置特定精度や物理情報の導出精度も向上すると考えられています。さらに、宇宙に重力波望遠鏡を設置する計画も進められており、これによって、より遠くの宇宙で発生した重力波を検出することが可能になると期待されています。

その他

重力波の検出は、アインシュタインの一般相対性理論を検証する上でも大きな意味を持ちます。また、重力波の速度を精密に測定することで、重力を媒介する粒子である重力子の質量を制限する可能性も示唆されています。

この歴史的な重力波検出は、宇宙の謎を解き明かすための新たな扉を開きました。

参考情報

GW150914 データリリース: LIGO Open Science Center
GW150914の[重力]]波モデル: [マックスプランク重力物理学研究所
“First detection!”: LIGO-magazine-issue-8.pdf'>LIGO Magazine (8)

映像資料

GW150914検出の記者会見 (71:29): 米国科学財団
"The hunters – the detection of gravitational waves" (11:47): マックスプランク重力物理学研究所
"[LIGO]] Hears Gravitational Waves Einstein Predicted" (4:36): [ニューヨーク・タイムズ

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