時空の構造は巨大な重力波で泡立っている可能性があり、その可能性は物理学者を不安にさせています.パルサーとして知られている死んだ星のコアからの光の中に見られる潜在的な信号は、風変わりな説明について推測する理論論文の嵐を引き起こしました.
最もありふれた、しかしまだ非常にセンセーショナルな可能性は、銀河を巨大な重力波検出器として使用する北米重力波ナノヘルツ天文台 (NANOGrav) と協力している研究者が、長い間求められていたバックグラウンド シグネチャが生成されたときに最終的に見られたことです。超大質量ブラックホールが衝突し、宇宙全体で融合します。別の解釈では、物理的現実の基本的な構成要素に関する非常に詳細な情報を科学者に提供できる、高エネルギーの宇宙ストリングの振動ネットワークに由来すると考えられます。 3 つ目の可能性は、この共同研究が、暗黒物質として知られる謎の物質の説明となる、無数の小さなブラック ホールの作成を発見したというものです。
コネチカット大学の天体物理学者で NANOGrav チームのメンバーである Chiara Mingarelli は、次のように述べています。 「何がこの信号を生成しているのかはわかりませんが、多くの人が本当に興奮しています。」
物理学コミュニティは、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) やヨーロッパの乙女座などの大規模な地球重力波実験から、宇宙について多くのことを学んできました。しかし、電磁波が押しつぶされたガンマ線から長い電波に至るまでの範囲のスペクトルに入ってくるのと同じように、重力波は、太陽サイズのブラック ホールが光年単位で測定可能な波長のブラック ホールと合体するときに生じる時空の小さな振動から全範囲を実行します。私たちの惑星を通過するには数十年かかります。銀河の中心に潜んでいる巨大なブラック ホールが衝突するときに生成されると考えられている、これらのより大きな波からの集合的で重なり合う不協和音は、NANOGrav コラボレーションがキャプチャしようとしてきたものです。
これは、大質量星が超新星として爆発し、急速に回転する残骸の心臓を後にするときに発生する、ミリ秒パルサーとして知られる天体に焦点を当てることによって行われます。パルサーの強力な磁場は、原子時計の精度に匹敵する規則性で地球を繰り返し掃引しながら、揺れ動く放射ビームを作り出すことができます。地球とパルサーの間に時空の構造の歪みが生じた場合、この信号が予想よりもわずかに早くまたは遅く到着する可能性があります。そのようなオフセットの 1 つを望遠鏡で見ることができたとしても、おそらくあまり意味がないでしょう。しかし、NANOGrav は 12.5 年以上にわたり、数千光年にわたって散乱する 45 個のパルサーからの光を監視しており、重力波の存在を示す可能性のある到着時間の相関関係を探しています。
昨年 9 月、共同研究者は、まだ査読を受けていない科学論文をホストするプレプリント サーバー arXiv.org に論文を投稿し、監視対象のパルサーがすべて同様のブリップを示したことを示しました。 （この論文はその後、査読を受けて公開されました。）このようなことが起こる可能性は、1,000 から 10,000 対 1 の間である、と Mingarelli は言います。グループとして、NANOGrav は用心深く、重力波信号を見たと主張することを控えています。これには、パルサー信号の到着時間の間で非常に特異的な相関関係を観察する必要があります。それでも、他の科学者がデータに飛びつくのを止めませんでした.
ポーランドのワルシャワ大学の理論物理学者である Marek Lewicki は、NANOGrav の調査結果が金曜日の早朝に公開され、午前 10 時までに共同研究者である King's College London の John Ellis がそれを発見したことを思い出しました。このような信号の通常の説明は、超大質量ブラック ホールの重力波背景であるが、Lewicki は別の原因が宇宙ストリングであることを知っており、このオプションがデータを説明できるかどうかを調べるためにモデルを実行し始めた. 「土曜日までに、それが適切であることは明らかでした」と彼は言います。
研究者は、宇宙の出来事を高エネルギーの素粒子物理学に直接結びつけるため、宇宙ひもを好みます。ビッグバンの直後に、既知の 4 つの力のうちの 3 つ (電磁気力と、強い核力と弱い核力) が 1 つの超力に押しつぶされたはずです。強力な核力が解離したとき、宇宙は、水が凍って氷になるのと同じように、相変化として知られる現象を経験したでしょう。そして、凍った湖がそのバルクが凝固するときにできた長い亀裂を含むことがよくあるように、目に見える宇宙は、その長さを縦横に横切る巨大なほぼ一次元のエネルギーのチューブで散らばっています.そのような物体はピアノの弦のように緊張し、NANOGrav が拾った信号のように見える重力波を振動させる可能性があります。
これらの宇宙ひもは時間の始まり近くに発生したため、宇宙インフレーションなどのプロセスに関する情報を運ぶことになります。その間、宇宙は驚異的な要因によって急速に膨張したと考えられています。また、さまざまな極端な温度でさまざまな粒子が作成されました。と、ジュネーブ近郊の CERN の理論物理学者であるカイ シュミッツは言います。大型ハドロン衝突型加速器などの粒子加速器では作成できないような条件からの情報は、研究者が現在の標準モデルに取って代わる既知のほとんどの粒子と力を結び付ける大規模な統一理論を作成するのに役立ちます。 2 人の共同研究者とともに、Schmitz は Physical Review Letters に論文を発表しました。 (PRL ) 1 月 28 日に宇宙ひもが NANOGrav データをどのように説明できるかを概説し、同じ日に Lewicki と Ellis による同様の記事が掲載されました。
「宇宙ひもが検出された場合、それは私の生涯の検出になるでしょう」と、同じくキングス カレッジ ロンドンの宇宙学者である Eugene Lim は言います。 「それはヒッグス粒子よりも重要であり、おそらく重力波そのものよりも重要です。」
このため、どちらの論文でも共著者ではなかった Lim は、そのような概念は十分に制限して検討する必要があると強調しています。 NANOGrav の共同研究では、実際に重力波が観測されていることを確認する必要があります。そして、これらの重力波のスペクトルの形状はまだ追跡されておらず、宇宙ひもの解釈に一致することがわかっておらず、それぞれの解釈には何年もかかる可能性が高いと彼は付け加えた.
一方、物理学コミュニティの別の代表者は、信号が原始ブラック ホールとして知られる実体から発信されている可能性があることを示唆しています。巨大な星が死ぬときに生まれる通常のブラック ホールとは異なり、これらは、インフレーションの終わりに発生したプロセスの結果として、物質とエネルギーが宇宙全体に不均一に分散した初期の宇宙で形成されます。特定の高密度領域は、自重で崩壊し、さまざまなサイズのブラック ホールが生成される可能性があります。原始ブラック ホール間の合体を示す可能性のある LIGO と Virgo からの観測により、これらの奇妙な天体は推測上のフィクション以上のものであるという考えが、多くの研究者の心にすでに植え付けられています。一部の理論家は、光を放たない実体として、宇宙の暗黒物質の一部またはすべてを説明できるため、それらを好んでいます.
「これは経済的な説明です」と、ジュネーブ大学の天体粒子宇宙学者であるアントニオ・リオットは言います。なぜなら、暗黒物質に関する物理学者の思索をこれまで支配してきたWIMPやアクシオンなどのエキゾチックな未検出粒子について理論化する必要がないからです。 /P>
2 人の共著者と共に、リオットは PRL に登場する 3 番目の論文を書きました。 NANOGrav信号が、ビッグバンの直後に作成された小惑星サイズの多数のブラックホールによってどのように説明できるかを示し、現代の私たちに伝わる重力波の遺物を生成します.研究者のモデルによると、これらの小さな原始ブラック ホールは、宇宙の暗黒物質の最大 100% を占める可能性があります。
しかし、この可能性にも慎重に取り組む必要があると、スペインのマドリッド自治大学の理論物理学者であるフアン・ガルシア・ベリードは言う。 NANOGrav データにはヒントが含まれていますが、重力波を示す特定の相関パターンを完全には示しておらず、推測の多くは時期尚早に思えます。 「原始ブラックホールに期待したのは私が初めてです」と彼は言います。 「しかし、残念ながらまだそこにはありません。」
それにもかかわらず、理論的活動の急増は、物理学者がこれらの結果をどれほど真剣に受け止めているかを示しています。 NANOGrav の研究者は、さらに 2 年半のパルサー データを精査しており、これらすべての説明の一部または組み合わせが実行可能かどうかを判断するのに役立つ可能性があります。彼らはまた、オーストラリアのヨーロピアン パルサー タイミング アレイ (EPTA) やパークス パルサー タイミング アレイ (PPTA) などの国際的な共同研究者とも協力しており、それぞれが他のパルサーの観測を行っており、最終的に特定するために必要な相関関係の発見に近づくことができます。重力波背景 — 今年の終わりまでに進行中のプロセスです。
「すべてのデータを組み合わせたときにシグナルが見られなかったら、私はショックを受けるでしょう」と Mingarelli 氏は言います。
