天文学者は死んだ星を使って時空の新たな波紋を検出した

今日、NANOGrav Collaborationと呼ばれる巨大な天文学者チームが、驚くべき発表をした。宇宙に浸透する重力波の背景音の初めての証拠である。米国とカナダに拠点を置くこの研究グループは、銀河系全体の死んだ星を天の川サイズの測定装置として使用し、これらの歪んだ波動を発見した。

「私たちはこの背景を見つけるために過去 15 年間ミッションに取り組んできました」と、NANOGrav の会長であり、ヴァンダービルト大学天文学部のスティーブン・テイラー氏は記者会見で述べた。「そして、私たちの努力が報われたことを発表できてとてもうれしく思います。」これらの波は宇宙に散らばっているブラックホールの種類を明らかにすることができ、天文学者が銀河の成長と変化の仕組みを解明するのに役立つだろう。

重力波は時空そのものの構造に生じるさざ波である。望遠鏡が電磁スペクトルのさまざまな部分に特化しているのと同様に、重力波実験もさまざまな波長に敏感である。2016年に最初の重力波を発見したLIGO実験は、2つの星サイズのブラックホールが衝突したときに発生するような、より短い波を検出できる。しかし、宇宙の歴史を解き明かす鍵となると考える天文学者もいる、より長く、より低い周波数の波は感知できない。

「銀河の進化をさらに理解し、現代物理学の最先端にある理論をテストするために最大のブラックホールを観測したいのであれば、低周波重力波を観測できる必要があります」と、NANOGravチームの一員であるヴァンダービルト大学の天文学者ウィリアム・ラム氏は言う。

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こうした重力波は、宇宙全体で合体して、テレビの雑音のような背景雑音を作り出しているはずの、最も巨大なブラックホールから来ている。しばらくの間、天文学者たちは、これらの巨大なブラックホールが合体して1つの銀河中心になるほど近づくことは決してないだろうと懸念していた。そうなると、銀河の進化を理解する上で大きな問題となり、重力波背景が静かになるだろう。NANOGravがこの信号を聞き取って以来、天文学者たちはこれらのブラックホールが衝突することを知り、銀河の合体の詳細を解明できるようになった。ビッグバン直後の重力波もこの背景雑音に寄与している可能性があり、宇宙の最初の数秒を探る方法の1つとなる。

このような低周波信号を検出するには、天文学者は地球全体よりも大きな実験、おそらく銀河全体ほどの規模の実験を必要としました。幸運にも、自然はまさにそのツールを提供してくれました。パルサーです。パルサーは最も重い恒星の死んだ核で、光のジェットを噴き出し、信じられないほど速く回転します。灯台からの光線を見ているのと同じように、ジェットが私たちに向かって回転すると、パルサーの脈動が明るくなります。そして、どういうわけか、自然は最高の灯台守です。パルサーのタイミングは原子時計と同じくらい予測可能だからです。

しかし、これらのパルサーが重力波のうねりに乗ると、時空のさざ波がこの精度を歪めます。パルサータイミングアレイ（PTA）は、銀河全体のパルサーを記録し、パルサーの超高精度の時計のこれらのわずかな偏差を測定できる電波望遠鏡の集合体です。パルサーの周期の多くの小さなシフトを合わせると、長く低周波の重力波が銀河全体に伝播する様子が描かれます。これらの測定を行うために、NANOGrav は北米各地の望遠鏡を使用しました。プエルトリコの有名なアレシボ望遠鏡（現在は崩壊）、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡、ニューメキシコ州の超大型干渉電波望遠鏡、カナダの CHIME 実験です。

パルサーのタイミングは「LIGOが重力波を検出する方法とは根本的に異なります」と、今回の研究には関わっていないミシシッピ大学の天文学者スミート・クルカルニ氏は言う。「この発見で特に驚くべきなのは、多数の望遠鏡と協力者の間での調整です」と同氏は付け加えた。

この新しい結果は、NANOGrav の PTA から 15 年間のデータを使用していますが、チームが公式検出と呼ぶには十分ではありません。代わりに、研究者は「強力な証拠」という用語を使用しています。しかし、信号は時間とともに増加するため、数年後には明確な検出が得られると確信しています。「重力波の空のより優れた地図を作成できるようになります」と、カリフォルニア大学バークレー校の天文学者で NANOGrav チームのメンバーであるルーク・ケリーは記者会見で述べました。

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この検出の完全な意味はまだ解明されていないが、これらの低周波の研究はまだ始まったばかりだ。国際パルサータイミングアレイのメンバーは、オーストラリア、中国、インドを含む世界各地から同様のデータを持っている。おそらく来年中に天文学者がそれらをすべてまとめれば、これらの測定結果はさらに強力になるだろう。