重力波とは何ですか？そしてなぜ重要なのですか？

物理学者たちは、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) の実験がついに重力波を発見した可能性について、ざわめいている (というかツイートしている)。LIGO は 10 年以上にわたってこの宇宙のさざ波を探してきた。昨年 9 月、LIGO はより感度が高く、ノイズの除去もより優れたシステムである Advanced-LIGO にアップグレードした。Advanced-LIGO は、まだ重力波の具体的な証拠を収集していないとしても、さらに大きな可能性を秘めている。

科学者たちは興奮しているかもしれないが、重力波の話はほとんどの人にとっては頭を悩ませるだけだ。この宇宙の振動とは何なのか、そしてなぜ科学界で話題になっているのか？

重力波とは何ですか?

重力波は時空構造の乱れです。静止した水たまりに手を突っ込むと、波がその経路に沿って進み、水たまりの外側に広がっていくのがわかります。アルバート・アインシュタインによれば、重い物体が時空を移動するときも同じことが起こるそうです。

しかし、空間はどのようにして波打つのでしょうか? アインシュタインの一般相対性理論によれば、時空は空虚ではなく、物体がそこを移動すると押し出されたり引っ張られたりする 4 次元の「織物」です。これらの歪みが重力の本当の原因です。これを視覚化する有名な方法の 1 つは、ぴんと張ったゴムシートの上に重い物体を置くことです。その物体によってシートはシートの周りでたるみます。最初の物体の近くに小さな物体を置くと、大きな物体に向かって落ちていきます。恒星は、同じように惑星やその他の天体に引力をかけます。この実験の様子は、下のビデオでご覧いただけます。

ゴムシートの例えは時空の仕組みを正確に表しているわけではありませんが、私たちが空間だと思っているものが動的な物質として視覚化できることを示しています。加速する物体はどれもこの物質に波紋を起こすはずです。しかし、小さな波紋は比較的すぐに消えてしまいます。中性子星やブラックホールなど、信じられないほど巨大な物体だけが、地球までずっと広がり続ける重力波を生み出します。

どうすれば検出できるでしょうか?

現在、こうした波を探すためにいくつかの異なる実験が進行中です。最新の噂は、重力波が時空に及ぼす影響を追跡することで重力波を探す LIGO からのものです。波が通過すると、空間は一方向に伸び、垂直方向には縮みます。

LIGO は、干渉計と呼ばれる装置を使用してこれらの変化を検出することを目指しています。この装置は、1 本のレーザー ビームを 2 つに分割し、両方のビームを互いに垂直に発射します。ビームが同じ距離を移動し、ミラーで反射して戻ってくる場合、ビームを構成する波は、戻ったときにまだ一列に並んでいるはずです。しかし、通過する重力波は、実際には各アームの距離を変える可能性があり、これにより、各ビームが兄弟に対して移動する距離が変わります。ビームが発生源に戻ると、科学者はこの変化を検出できます。ただし、重力波は、干渉計のアームの長さを非常に小さな量だけ変更します。これは、原子核の幅の約 1/10,000 です。このような小さな変化を拾うには、LIGO は地震や近くの交通など、他のすべてのノイズ源をフィルターで除去する必要があります。LIGO は、ほぼ 10 年間の運用で重力波を発見していませんが、最近 Advanced-LIGO にアップグレードされたことで、発見の可能性が高まっています。

Advanced-LIGO は、欧州宇宙機関 (ESA) のレーザー干渉計宇宙アンテナ (LISA) と競争しなければならない。宇宙で巨大な LIGO のような役割を果たす LISA は、今年、予行演習が行われる。ESA は 12 月に LISA パスファインダーを打ち上げた。パスファインダーは、将来の LISA ミッションで最終的に導入される技術をテストするために、数か月間宇宙に滞在する。

しかし、レーザーは時空の変化を検知する唯一の方法ではありません。たとえば、北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）は、パルサーと呼ばれる中性子星から放出される電波のバーストを観測して重力波を探します。これらの電波パルスは通常、厳密にタイミングが調整されているため、到着が早かったり遅かったりする場合は、重力波が地球への旅を妨害した可能性があります。

他の実験では、ビッグバンの余波で発生した特定の種類の重力波を探します。ビッグバンの余波として残った放射線を観測することで、この実験を行います。ビッグバンで重力波が生成されたのであれば、科学者はこの放射線の偏光に渦巻きが見られると予想します。ハーバード大学の南極での一連の実験である宇宙銀河系外偏光の背景画像化 (BICEP) などのプログラムは、残った放射線を観測して、特徴的な偏光パターンを見つけようとします。

重力波を発見する意味は何でしょうか?

重力波は、宇宙を観測する別の方法を与えてくれます。たとえば、ビッグバンからの波は、宇宙がどのように形成されたかについてもう少し教えてくれます。波は、ブラックホールの衝突、超新星の爆発、巨大な中性子星の揺れによっても形成されます。したがって、これらの波を検出することで、それらを生み出した宇宙の出来事について新たな洞察が得られます。

最後に、重力波は物理学者が宇宙の基本法則を理解するのにも役立つ可能性があります。実際、重力波はアインシュタインの一般相対性理論の重要な部分です。重力波が見つかれば、その理論が証明され、理論がどこで間違っているのかを解明する助けにもなります。これにより、より正確で包括的なモデルが生まれ、万物の理論への道が開かれるかもしれません。