衝突するブラックホールからの重力波が再び検出される

2 つのブラックホールが、両者の間にある巨大な重力に引かれて激しく回転し、太陽の約 60 倍の質量に結合しました。ブラックホール同士の衝突は非常に大きな力で、時空自体に乱れが生じました。2015 年 9 月、この乱れは地球上で、幅 2.5 マイルの L 字型のチューブ 2 つに極小の震えとして現れました。12 月、クリスマスの翌日、チューブは再び震えました。

「素晴らしいことだ」とマサチューセッツ工科大学LIGO研究所所長のデイビッド・シューメーカー氏はポピュラーサイエンス誌に語った。 「最初のものとはまったく違うが、その重要性は変わらない」

LIGO は、国立科学財団がこれまでに資金提供した中で最大の実験を行っている 1,000 人以上の科学者のチームです。「村全体の協力が必要です」とシューメーカー氏は私たちに思い出させました。LIGO のヨーロッパ版である Virgo チームも、独自の検出器を稼働させながらデータ分析に取り組んでいました。

アルバート・アインシュタインの一般相対性理論は、重力が水に落ちる岩のような波紋を形成すると予測したが、波は水ではなく空間自体の形状を変化させながら伝わる。これらの重力波は原子を構成する要素よりも小さいため、検出するには、各辺が2.5マイルの巨大なL字型の機器、つまりワシントン州とルイジアナ州リビングストンにあるLIGO検出器が必要である。

検出器は（非常に簡単に言えば）特殊な鏡を通して照射するレーザーで、この鏡はビームを2つに分割し、1つのビームをL字の片側に送り、もう1つのビームを反対側に送ります。各ビームはトンネルの端にある鏡に当たり、中央の鏡に戻ります。ここでビームがまとめられ、検出器に送られます。光も波として伝わり、通常、各レーザーの波は一列に並びます。重力波が当たると、トンネルの1つで時空の形状が変わり、その光ビームは検出器上でもう1つのビームと位相が合ったり外れたりします。LIGOのサイトは2つあるため、科学者は実際に重力波イベントがあったこと、実験の偶然の一致ではないことを確認でき、波がどこから来たのかを概算できます。最新の波が場所間を移動するのに約1.1ミリ秒かかったため、波は最初にそれを測定した検出器の方向から来たことがわかります。

重力が時空を圧縮するこれらの波に乗って移動する利点は、音波として解釈して聞くことができることです。最初の波は、排水溝から水が滴る音を誰かが口で出すような、素早い「ブーン」という音でしたが、2 番目のブラックホールのセットは、重量が軽いため、衝突に長い時間がかかりました。対応する音は、低いハム音で始まり、ほぼ 1 秒続いた後、「ブーン」という音になりました。

科学者たちは、第 2 波のイベントが多くの理由で重要であると考えています。シューメーカー氏は、何よりも、このイベントは最初のイベントが偶然ではなかったことを示し、これらの実験が宇宙で起こる異常なイベントを検出する観測所として実際に使用できることを証明したと指摘しています。また、今回はブラックホールが小さかったため (最初のイベントのブラックホールは太陽の約 29 倍と 36 倍の質量でしたが、この 2 つのブラックホールは太陽の約 14 倍と 7.5 倍の質量でした)、信号がはるかに静かで、LIGO のコンピューターのテストになったとも述べています。この小さな信号は、バックグラウンドで発生するすべての自然なジッターからフィルターで除去する必要がありました。「GW151226」と呼ばれるこの 2 番目の信号のような信号は、LIGO の科学者が今後見ることができると期待するものに非常に近いものです。

「信号のほとんどは最初の発見のようには目立たないだろう」と、LIGOの最新論文を発表したフィジカル・レビュー・レターズの編集者ロバート・ガリスト氏はポピュラーサイエンス誌に語った。 「信号にはこのような処理が必要になる。だから、処理は本当にうまくいったのだ」

ガリスト氏はまた、この2つ目の発見はブラックホールがかなり頻繁に合体することを証明しているとも感じた。

LIGO の次のステップは感度を上げることであり、これにより科学者は、現在観測所が観測できる空間の 2 倍の空間から重力波を観測できるようになります。LIGO に似ていますがヨーロッパで行われる Virgo 実験も来年稼働し、3 つの検出器を併用することで科学者は重力波の起源を正確に特定できます。また、これまで科学者が観測したのはブラックホールからの重力波だけです。シューメーカー氏は、中性子星がブラックホールと衝突するなど、あまり知られていない他の種類のイベントからの波を観測することを楽しみにしています。あるいは、もっと奇妙なものが観測されるかもしれません。

「そうしたら、私たちは理論家たちに『これは私たちには説明できない重力波です。頑張ってください』と言うでしょう」とシューメーカー氏は言う。「それは物理学界にとって本当に刺激的な挑戦になるでしょう。」

本日の記者会見でさらに詳しい情報が発表され次第、この記事は編集されます。