重力波を発見しました。それで?

衝突する中性子星が時空を細断し、重力波の波紋を生成するというアーティストの描写。クレジット:NASA。

LIGO研究所の事務局長であるDavidReitzeは、今朝、ワシントンDCのNational Press Buildingで表彰台を獲得し、「重力波を発見しました」と、テンターフックで待っていた言葉を述べました。そして、パサデナにあるカリフォルニア工科大学のCahillビルにある満員の講堂は、人々がライブフィードを見るために集まっていた場所で、大きな拍手喝采を浴びました。

LIGOは数百人の科学者との10億ドルの国際協力であるため、同様のシーンがMIT、ルイジアナ州リビングストン、ワシントン州ハンフォード、およびヨーロッパで行われている可能性があります。そして、この瞬間は100年になります。アインシュタインは1915年に彼の一般相対性理論で重力波の存在を予測し、物理学者は1970年代と1980年代に間接的な証拠を明らかにしました。しかし、直接検出は、今までとらえどころのないことが証明されています。そして、重力波の話と彼らが私たちに伝えることができることは、まだ始まったばかりです。

これがどのように下がったかです。2015年9月14日、東部標準時午前5時51分、LivingstonとHanfordのLIGO検出器は、互いにミリ秒以内に信号を受信しました。これらの信号の波形は、シミュレーションの予測と厳密に一致していました(左を参照)。

これは、大型ハドロン衝突型加速器での衝突で生成された素粒子を識別するために高エネルギー物理学者が使用する崩壊サインに似た、オーディオ指紋のようなものです。そして、それぞれ約30個の太陽質量(私たちの太陽の30倍の大きさ)の2つのブラックホールが互いに向かって内側にらせん状になり、大規模な衝突イベントで融合して強力な衝撃波を送信した場合、データに期待されるものとまったく同じです。約13億年前、時空を越えてリッピング。

実際、それはとてもきれいだったので、Reitzeはそれが真実であるには良すぎるのではないかと心配しました。LIGOCaltechを率いるAlanWeinsteinもそうだった。結局のところ、LIGOの運用の初期段階では、プロジェクトリーダーは、分析の厳密さをテストするために、意図的に誤った信号をデータに挿入していました。彼の同僚は、この新しい信号はいわゆる「ブラインドインジェクション」運動ではないと彼に保証しましたが、ワインスタインはそれを完全に信じることができませんでした。彼は、それが復讐としてデータに誤った信号を注入したLIGOチームの不満を持ったメンバーの仕事であるかどうか疑問に思いました。

あるいは、それは邪悪な天才の仕事だったのかもしれません。「私たちは邪悪な天才仮説を排除することはできません」と彼はカリフォルニア工科大学の記者会見で行き詰まりました。「私たちは、邪悪な天才仮説を排除するために最善を尽くしています。しかし、連星ブラックホール衝突の可能性が高いと思います。」

その1つの信号だけから、物理学者は周波数を研究することによって両方のブラックホールの質量を推測することができました(1つは29の太陽質量、他の36の太陽質量)。合併後、新しく形成されたブラックホールはおよそ3つの太陽質量を失いました—重力波の強力なバーストで放出されました。私たちの太陽の3つが突然消滅することを想像してみてください。そうすれば、私たちがここで話しているエネルギーの量がわかります。振幅を研究すると、衝突は南半球で約13億光年離れた場所で起こったことがわかりました。

したがって、これは重力波の最初の直接検出であるだけでなく、ブラックホール連星システムが実際に存在することの最初の証拠でもあります。そして、これはすべて、アップグレードされたAdvancedLIGOがオンラインになった直後のエンジニアリング実行中のデータからのものです。それはまだ完全な感度で狩りをしていません。それが起こったとき、物理学者はもっと多くのそのような出来事を見ることを期待し、宇宙がどのように機能するかについての新しい窓を彼らに与えます。実際、Weinsteinは、追加の12のLIGO関連の論文が本日の終わりまでに投稿されると述べました。

そのため、LIGOは「天から来る新しい形の放射線を観測するための新しい機器」になっています」とトレント大学の物理学者でLISAパスファインダーのコラボレーションのメンバーであるビルウェーバーは述べています。

「最初の検出は、重力について述べているため、基本的な物理学の観点から非常に重要ですが、以前は暗い宇宙であったものへの窓も開きます」と、ペリメーター研究所とウォータールー大学の物理学者であるエイブリーブローデリックは述べています。カナダで。 「何世紀にもわたって、天文学者は夜空を見上げて、宇宙の明るい面について考えてきました。次に、ダークサイドを最初に見てみましょう。それが同じように豊かでエキサイティングなものになるというすべての期待があります。」

このように革命的な可能性を考えてみてください。天文学者がX線、赤外線、ラジオ、ガンマ線などの異なる波長の光で私たちの宇宙を見るたびに、他の方法では見られなかった側面が明らかになります。重力波も同じで、光よりも音に似たものがあるだけです。今、私たちの宇宙を見ることに加えて、私たちはそれを聞くこともできます。 PhDコミックのホルヘチャムが彼のイラスト入りの説明者にそれ雄弁に語ったように、「あなたの聴覚が回復する日まであなたが耳が聞こえなかったあなたの人生全体を想像してみてください。」

主な違いは、音は通過する媒体を必要としますが、重力波が媒体(この場合は時空自体)を移動させることです。 「彼らは文字通り時空の構造を押しつぶし、伸ばします」と、カリフォルニア工科大学の重力波天体物理学者であるキアラ・マンガレリはギズモードに語った。私たちの耳には、LIGOによって検出された波はチャープ(「woo-OOP」)のように聞こえます。

正確には、この革命はどのように起こるのでしょうか?さて、LIGOには現在2つの検出器があり、科学者の「耳」として機能します。将来的にはさらに多くの検出器がオンラインになる予定です。LIGOは、直接検出の観点から最初にそこに到達した可能性がありますが(率直に言って、常にそうなることが期待されていました)、町で唯一のゲームではありません。重力波には複数の種類があります。実際、電磁スペクトルには、さまざまな波長のさまざまな種類の光が存在するように、スペクトル全体が存在します。そのため、LIGOが検出するように設計されている周波数(ミリ秒単位)を超える周波数で波をハントするように調整された他のコラボレーションがあります。

クレジット:NanoGRAV

Mingarelliはで動作NanoGRAV(重力波のための北アメリカのNanohertz天文台)のコラボレーション、また欧州のパルサータイミングアレイとオーストラリアのパークスパルサータイミングアレイを含む、より大きな国際コンソーシアムの一部。名前が示すように、NanoGRAVの科学者は、1〜10ナノヘルツの領域で非常に低い周波数の重力波を探しています。 LIGOの感度は、スペクトルのキロヘルツ(可聴)部分にあります。それは非常に長い波長になります。実際、1つのサイクルを完了するには10年かかります。

このコラボレーションは、プエルトリコのアレシボ天文台とウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡によって収集されたパルサーデータに依存しています。パルサーは基本的に急速に回転する中性子星であり、太陽よりも重い星が爆発して内側に崩壊したときに形成されます。テザーの端にある重いおもりがロープが短くなるほど速くスイングするように、収縮するにつれて回転が速くなります。

それらはまた、灯台のビームのように、回転するときに強力な放射線の爆発を放ち、それは地球に戻る光のパルスとして検出されます。そして、それらの周期的な回転は非常に正確です—ごく最近まで、原子時計と同じくらい正確です。これはそれらを重力波の理想的な宇宙検出器にします。実際、最初の間接的な証拠は、1974年にパルサーを研究したときに得られました。ジョセフテイラージュニアとラッセルハルスは、中性子星を周回するパルサーが時間の経過とともにゆっくりと縮小していることを発見しました。重力波の形でエネルギーにその質量。

NanoGRAVの場合、喫煙銃は一種のきらめく効果になります。パルスは同時に到着するはずですが、重力波が当たった場合、波が通過するにつれて時空が縮小または拡大するため、わずかに早くまたは遅く到着します。

パルサータイミングアレイ(PTA)は、最も巨大な銀河の中心に潜んでいると考えられているような、太陽の10億倍または100億倍の質量の超大質量ブラックホールを結合することによって生成される重力波に特に敏感です。そのような2つの銀河が合体すると、それらの中心にあるブラックホールも合体し、重力波を放出します。「LIGOは、バイナリが非常に接近しているときに、合併の最後を迎えます」とミンガレッリ氏は述べています。「PTAを使用すると、スパイラルフェーズの早い段階で、PTAが互いに周回し始めたときに表示されます。」

次に、LISA(レーザー干渉計宇宙アンテナ)として知られる宇宙ベースのミッションがあります。地球にバインドされたLIGOは、スペクトルの人間のオーディオ部分に相当する重力波を検出するのに最適です。これは、新しく発見された連星ブラックホールの合体によって生成された種類です。しかし、これらの波の多くの興味深いソースは、より低い周波数にあります。したがって、物理学者はそれらを検出するために宇宙に行かなければなりません。現在のLISAパスファインダーミッション(12月に開始)の主な目的は、検出器技術を検証することです。 「LIGOを使用すると、機器をシャットダウンし、真空をクラックして開き、問題を修正できます」とMITのスコットヒューズは述べています。 「宇宙を台無しにすると、あなたは死んでしまいます。最初からすべてを正しく理解する必要があります。」 GizmodoのMaddieStoneが12月に書いたように:

最後に、宇宙マイクロ波背景放射(ビッグバンの残光)に原始重力波によって残された痕跡ターゲットにするように設計された2つの実験があります:BICEP2(宇宙銀河外偏波の背景イメージング2)とプランク衛星ミッション。 BICEP2は、2014年にその ような証拠を発見したことで有名ですが、それらの信号が宇宙塵によるものであることが判明したときにのみ、希望が失われました。

しかし、両方のコラボレーションは、私たちの宇宙の初期の歴史に光を当てることを期待して、そしてうまくいけばインフレーション理論の重要な予測の確認を提供することを期待して、狩りを続けています。この理論は、宇宙が誕生した直後に、強力な重力波を生成するはずの急速な成長の噴出を受け、光波の特別な方向(偏光)の形でCMBに痕跡を残すことを予測しています。

これらの4つの重力波レジームのそれぞれは、天文学者に宇宙への4つの新しい窓を与えます。

しかし、皆さんが本当に考えていることはわかっています。確かに、今度はワープドライブを起動するときです。LIGOの発見は、来週、私たち全員が宇宙艦隊にサインアップする必要があることを意味しますか?「それに対する答えは明白に「ノー」だと思う」とブロデリックは言った。「しかし、重力をよく理解すればするほど、そのようなものを設計しようとすることを想像することができます。それが科学者がしていることです。私たちは宇宙がどのように機能するかを理解しているので、その一連のルールの範囲内で宇宙を自分の意志に曲げる能力を最適化することができます。」

だから....あなたはチャンスがあると言っています。そうしてください。

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Maddie Stoneは、この記事への報告に貢献しました。

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