重力波は、宇宙で最大かつ最もエネルギーの高いイベントのいくつかによって生成される時空の乱れです。それらは光速で発生源から波として伝播します。
アインシュタインの一般相対性理論では、重力は時空の曲率、つまり質量の存在によって引き起こされる曲率と見なされます。質量が大きくコンパクトであるほど、曲率は大きくなります。物理学者にとって、重力波はアインシュタインの方程式の波のような解でもあり、宇宙のいくつかの現象を観測できる唯一の方法です。
たとえば、2 つの巨大な天体の軌道が時間の経過とともに変化すると、エネルギーが失われるように見えます。しかし、エネルギーは失われないため、どこかに行かなければなりません。損失を説明する唯一の方法は、エネルギーが時空で波を生成し、重力放射を放出するために使用されるということです。
理論はうまく一致していましたが、問題がありました。何十年もの間、研究者はこれらの重力波を真に検出することができず、検証なしでは理論を確認できませんでした。 2015 年にすべてが変わり、最初の重力波 (GW150914) が 2 つのレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) 検出器によって直接観測されました。 3 年後、検出の背後にある 3 人の主な科学者が、この発見でノーベル賞を受賞しました。しかし、研究者は 1982 年に重力波を発見した可能性があります。
Hulse–Taylor バイナリ
1974 年、2 人の天体物理学者 (ラッセル アラン ハルスとジョセフ フートン テイラー Jr) が、305 メートル (1,000 フィート) のドームを持つ電波望遠鏡であるアレシボ天文台でパルサー調査を行っていました。資金不足と怠慢により、2020年後半に瓦礫に崩壊したあの大きな望遠鏡として、アレシボを覚えているかもしれません。パルサーは、電波または X 線放射を放出するコンパクトな星の一種です。それらは回転する一種の宇宙灯台であり、地球に向かって信号を放出するたびに検出できます。
アレシボがここまで大きくなったのには、重要な理由があります。電波望遠鏡の目標は、電波を検出することです。電波は、波長が地球の半径よりも大きく測定できます。太陽系外の電波源は非常に弱いため、それらの天体を検出するには非常に大きなディッシュが必要です。アレシボは何かを検出することに成功しました。
科学者たちは、後に PSR B1913+16 または「Hulse-Taylor バイナリ」と名付けられた「奇妙な」パルサーを検出しました。研究者は、このパルサーの脈動周期が安定していないことに気付きました。7.75 時間ごとに変化し、元の状態に戻ります。その変化の唯一の説明は、パルサーが連星系にあり、パルサーが 7.75 時間ごとに軌道を 1 周していたということでした。彼らはドップラー効果のおかげでそれを知っていました.
光源が遠ざかると、その周波数は可視スペクトルの赤側にシフトし、近付くと青にシフトします。パルサーの周期を測定することで、テイラーとハルスは速度曲線をプロットして軌道を分析し、パルサーの仲間を特定することに成功しました。
彼らの分析では、彼らはシステムが円軌道ではなく楕円軌道を持っていることを観察しました。最終的に、彼らはパルサーが別のコンパクトな星との連星系に住んでいると結論付けましたが、それがパルサーでもあったかどうかはまだ結論付けられませんでした.
重力波
おそらく、これが重力波とどう関係しているのか疑問に思っているでしょう。もうすぐです。
8 年後、観測を止めることなく、テイラーとジョエル M. ワイズバーグは軌道速度が増加していること、つまり星が加速していることに気付きました。彼らはまた、システムの知識を向上させ、両方の星が 1.4 太陽質量のほぼ同じ質量を持ち、軌道が太陽の半径の約 4.5 倍 (または地球から月までの距離の 9 倍) であると考えました。パルサーの仲間はおそらく別のパルサーであると彼らは結論付けましたが、それが放出するビームは決して地球に向けられていないため、私たちはその無線信号を得ることができません.
バイナリは、アインシュタインの方程式に対する重力波の解をテストするのに最適な候補でしたが、波自体から直接情報を得ることができなかったため、テイラーとワイズバーグは理論を使用してパルスの周期からの観測を間接的に結び付けました。彼らは、星間の軌道周期が時間とともに減少していることに気付きました。これは、おそらく重力波によってエネルギーが失われていることを意味します.
アレシボがまだ機能している間も観測は続けられ、30 年後も同じ理論が軌道周期の推定損失に適合し続け、連星が重力波を放出していることをますます示唆しています。この研究の驚くべき結論は、アインシュタインの理論に最小限の誤りがないかのように、ポイント (下の赤) と理論 (青の線) がほぼ完全に一致していることです。直接的な観測はありませんでしたが、天文学者は重力波を間接的に検出した可能性が最も高いです。
連星パルサーの発見により、テイラーとハルスは 1993 年にノーベル賞を受賞しましたが、重力波の間接検出は受賞しませんでした。 PSR1913+16 は常に重力波干渉計への道を開いた観測であり、連星では理論が正しいことはほぼ確実であり、科学者は現象を観測するのに十分な幸運が必要でした。それが起こり、2017 年にノーベル物理学賞が LIGO の研究者に最初の固体検出で授与されました。
アレシボ電波望遠鏡は 1 年前に崩壊しました。連星パルサーの最初の検出を行った象徴的な望遠鏡、および他の多くの望遠鏡は、近年資金調達に苦労したため、がれきに陥りました。望遠鏡によって収集されたデータは今でも科学者によって使用されており、最新のデータは銀河崩壊からちょうど 1 年後に公開されており、この研究は銀河の歴史を恒星質量で理解しようとしています。
