重力波天文学とは？意味をやさしく解説

重力波天文学とは

重力波天文学は、アインシュタインの一般相対性理論によって予言された重力波を観測し、宇宙の謎を解き明かすことを目指す天文学の一分野です。重力波は、質量を持つ物体が加速運動をするときに発生する時空の歪みであり、光速で宇宙を伝播します。

歴史

重力波の観測は、1969年にアメリカのウェーバーによる検出報告がありましたが、これは後に誤りであったとされています。しかし、ウェーバーが開発した重力波検出装置は改良され、その後の観測に貢献しました。その後、パルサータイミングの変化を捉える間接的な観測方法や、人工衛星を用いたマイクロ波のドップラー効果による検出などが考案されました。

1974年には、ハルスとテイラーが連星中性子星を発見し、その観測から重力波の間接的な存在が示唆されました。この功績により、二人は1993年にノーベル物理学賞を受賞しています。

1980年代には、広い周波数帯で重力波を検知できるレーザー干渉計が構想され、アメリカのLIGO、イギリスとドイツのGEO、フランスとイタリアのVirgo、日本のTAMA300といったプロジェクトが始まりました。

しかし、初期の干渉計では重力波を直接検出することはできず、観測には至りませんでした。

現在の状況

2015年、LIGOが改良後の試運転中に、ブラックホール連星からの重力波信号を初めて直接観測することに成功しました。この画期的な発見により、重力波天文学は新たな時代を迎えました。2020年には、日本で建設されたKAGRAも観測を開始し、世界的な観測ネットワークが構築されつつあります。この重力波初観測に貢献した3名は、2017年にノーベル物理学賞を受賞しました。

現在、世界中で重力波検出のためのネットワーク観測網の整備に向けた研究が進められています。

将来計画

将来の重力波観測計画として、宇宙空間に重力波望遠鏡を設置するプロジェクトが計画されています。JPLやESAなどが進めているLISA計画では、基線長500万キロメートルの宇宙重力波望遠鏡を構築し、地上では観測が難しい低周波数の重力波を捉えることを目指しています。また、日本では、DECIGO計画が進められており、地上観測が困難な周波数帯の重力波を捉えることを目標としています。

その他

カリフォルニア大学バークレー校が中心となって進めているEinstein@Homeプロジェクトでは、一般のPCを活用して重力波の検出を試みており、市民参加型の科学研究を推進しています。

脚注

重力波の観測には、レーザー干渉計が用いられます。これは、非常に小さな時空の歪みを検出するために、レーザー光を利用した精密な測定を行う装置です。
重力波の観測は、宇宙の初期の状態や、ブラックホールなどの極端な現象を研究するための重要な手段となっています。

参考文献

日本物理学会編、宇宙を見る新しい目、日本評論社、2004
中村卓史、三尾典克、大橋正健（編）、重力波を捉える、京都大学学術出版会、1998
J.Weber,Phys Rev Lett.22,1969,1320
K.S.Thone, Gravitational Raditation, 300 Years of Gravitation, Cambridge University Press,1987
K.Kuroda et al.,Class Quantum Grav.20,2003,S871
* 国立天文台ニュース No.247 (2014年2月1日) 特集重力波天文学が拓く宇宙〜TAMA300からKAGRAヘ〜

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