宇宙は、あらゆる方向に光の速さで押し寄せる重力波が縦横に交差するスピードボートで満たされた湖のようにかき混ぜられるべきです。これは、あらゆる種類の加速度、あらゆる種類の質量が重力波を生成するためです。空中で腕をシューという音を立てると、永久に移動する重力波が発生します。地球は太陽の周りを回る際に重力波を発生させます。くるくる回ったり衝突したりするブラック ホールも同様です。
加速するすべての質量が信号を生成し、それらすべての信号が検出可能なバックグラウンドに加算されます。
それで、それはどこですか？科学者たちは何年もの間、重力波のバックグラウンド ノイズの静的なドローンに同調しようとしてきました。遠方のパルサーのタイミングを利用する実験は、超大質量ブラック ホールのペアによる背景の部分を探して、10 年以上にわたって実行されてきました。しかし、彼らはのぞき見を聞いていません.
その後、今年の初めに、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) は、より軽い恒星質量のブラック ホールの合体に起因する単一の重力波イベントの肯定的な検出を達成しました。パルサータイミング実験のより微妙な使命と背景の探索は、かき消されたように見えました。結局、それらは null の結果を生成しました。
しかし、沈黙が多くを語る場合もあります。
重力波は、光波と同じようにさまざまな周波数で発生します。それらの周波数は、その運動に基づいています。質量に関係なく、1 年にわたる軌道にあるオブジェクトは、同じ周波数の波を生成します (ただし、軽いオブジェクトは振幅の小さい波を生成します)。
いくつかの重力波源は強く、科学者が個々のイベントを拾うことができるほど十分に近く、今年2月にLIGOで検出された200ヘルツの周波数の「チャープ」のように、太陽の質量の約30倍の2つのブラックホールが合体したときに発生しました1つに。他のものは遠くにあり、個別に解決するのは困難です。たとえば、太陽の数十億倍の大きさになる可能性があり、多くの場合数十億光年離れた、近い軌道を回って合体する運命にある超大質量ブラック ホールのペアなどです。これらの後者は、全体として、LIGO が拾うことができるよりもはるかに低い周波数で一定のバックグラウンドを作成するはずです.
1967 年の夏、天文学者のジョセリン ベルは、科学者がこの背景を聞くために必要なツールを提供する信号を最初に見ました。彼女が電波望遠鏡で遠方の銀河を探していたとき、スパイクがデータのベースライン ノイズを上回ったとき、1.3 秒ごとに再出現した電波のパルスでした。心電図で安定した心拍のように見えました。彼女はいつものピピピピピに戸惑いました それの。彼女が知っていた、これほど高速で信頼性の高い信号を生成できるオブジェクトは、合成のものだけでした。彼女と顧問のアンソニー・ヒューイッシュは冗談めかして、宇宙人からのメッセージを見ているとほのめかし、LGM-1 の電波源を「リトル グリーン マン 1」と名付けました。
しかしすぐに、天文学者は信号がエイリアンと同じくらい奇妙なものから来ていることを発見しました.中性子星は、超新星の後に残された残骸である、大部分が押しつぶされた近くの中性子でできている都市サイズの星です.ベルが奇妙な信号を発見した頃、フランコ パチーニとトーマス ゴールドの 2 人の天文学者が、磁場に囲まれた回転する中性子星が放射線を放出する可能性があることに注目しました (ただし、科学者は今日に至るまで、その理由の詳細をすべて説明することはできません)。ゴールドはこれをベルの発見と結びつけ、どのようにしてスピンが定期的に地球に放射ビームを向け、望遠鏡全体にパルス ブリップを発生させるかを説明しました。
中性子星は毎秒何百回も回転し、ビームを空間全体に掃引します。これらのビームがたまたま地球と一直線に並ぶと、遠方の灯台のように地球を短時間照らすことになります。科学者が 1968 年に 2 つ目の脈動源を発見したとき、そのつながりが確認されました。それは、超新星爆発の残りのガスであるかに星雲の真ん中に位置していました。
パルサー時計は非常に信頼性が高いです。それらは密度が高く、球状であり、スピン運動量が非常に多いため、回転速度を変えることはほとんどできません。灯台掃引のタイミングは驚くほど一定で、「自然界で最高の時計」と呼ばれています。ミリ秒パルサーと呼ばれる最も正確なパルサーは、1 年間にわずか数ピコ秒だけスピンを遅くします。比較すると、これまでに作成された最も正確な原子時計は、年間約 66 ピコ秒遅れています。
1979 年までに、天文学者は、自分たち (または実際には将来、より優れた望遠鏡を持つ他の誰か) が、これらの奇妙な超精密時計を使用して重力波を検出できることに気付きました。ゲインズビルにあるフロリダ大学のスティーブン・デトワイラーとモスクワ州立大学のミハイル・ヴァシリエビッチ・サジンは、重力波がパルサーまたは地球を通過すると、パルサーの放射が地球に到達する時間が変化することを独自に発見しました。天文学者はカチカチを理解できません 彼らが期待した超定期的な間隔で。
「重力波がパルサーを通過すると、そのパルサーまでの有効距離が変化し、前後に揺れます」と、モーガンタウンにあるウェスト バージニア大学の Maura McLaughlin は言います。 NANOGrav）。これにより、排出物が移動する距離と、地球に到達する時期が変わります。波が地球を通過する場合も同じことが起こります。
数億光年離れた数百億の太陽質量の超大質量ブラックホールのペアの場合、ミリ秒パルサーのパルス到着時間はマイクロ秒単位で変化します。しかし、そのようなバイナリのほとんどは、より遠く離れた場所にあり、大規模ではないことが予想され、スキューはわずか数十ナノ秒以下です。 Detweiler と Sahzin の時代には、望遠鏡の機器はそれほど速くデータを取得してダンプすることができませんでした。コンピュータは、テラバイト レベルの出力を保存および処理できませんでした。ミリ秒パルサーはまだ誰も発見していませんでした。彼らは何か他のものを必要としていました.
1982 年、パサデナにあるジェット推進研究所のロナルド ヘリングスとカリフォルニア工科大学のジョージ ダウンズは、画期的な発見をしました。個々の擾乱ではなく、ノイズの多い重力波背景全体を一度に検出します。彼らは、宇宙を飛び交う静的な背景が、後に科学者が「パルサー タイミング アレイ」と呼んだ一連のパルサーのブリップにどのように現れるかをモデル化しました。
パサデナにあるカリフォルニア工科大学のキアラ ミンガレッリは、それを想像してみてくださいと提案しています。 「重力波の背景は、海面のようなものだと想像できます」と彼女は言います。 「そして、私たちは船に乗って地球にいて、この重力波の海で上下に揺れています。」
パルサーも同様ですが、海での揺れは純粋なノイズのように見えます、と McLaughlin は言います。
しかし、地球からの揺れは、ノイズが多いものの、何らかの構造を持っています。その構造は、ヘリングスとダウンズが計画したものです。重力波が地球を揺らすと、閃光の到着がすべてから変わります 同時にパルサー。重力波は、一方の方向に収縮して時空を圧縮し、他方の方向に引き伸ばして膨張させます。南北線に沿って空間が凝縮すると想像してみてください。同時に、東西が拡大します。私たちの空の北方向の 2 つのパルサーは、ブリップのタイミングで同様のスピードアップを示し、東方向の 2 つのパルサーは同様の減速を示します。
ヘリングスとダウンズは、これらの遅い到着と早い到着が空に広がるパルサーとどのように一致するかを説明しました。予測された特徴とパルサーのパッセルを使用して、科学者は単一のパルサーを見るよりも感度を上げることができました。署名信号が現在呼ばれているように、Hellings-Downs 曲線は、今日でも天文学者が探しているものです。しかし、Hellings と Downs が研究を行った当時、その技術は十分ではなく、天文学者は超精密なミリ秒パルサーを発見していませんでした。 「仕方がありませんでした」とマクラフリンは言います。彼らは自分たちの技術をタイムカプセルに埋めて、将来見つけられるようにする必要があります.
しかし、彼らは新しい科学の可能性にも気づきました。重力波の直接検出に近づいた人は誰もおらず、LIGO はさらに 12 年間、最初の資金を受け取ることができませんでした。パルサーの天文学者は、重力波が存在することを疑いの余地なく証明した最初の人になることに挑戦しました。さらに、重力波を利用して、宇宙がどのようにして現在の姿になったのかを知ることもできます。彼らは信号に敏感になる方法を知っており、コンピューターがプロジェクトに必要な処理速度に追いつくことを知っていました.
80 年代から 90 年代にかけて、人々は重力波背景に関する研究を続けました。 「しかし、私たちは検出を期待できるレベルに達していなかったため、彼らは本当に全力を尽くしていませんでした」と McLaughlin 氏は言います。
しかし、年月が経つにつれて、望遠鏡の機器はより多くの処理能力を獲得しました。新しいパルサーが積み上げられました。 1980 年代に天文学者が知っていたミリ秒パルサーは 4 つだけでしたが、1990 年代にはさらに 31 個、2000 年から 2010 年の間には 65 個以上が発見されました。それ以来、150 個が発見され、合計で 250 個になりました。
2005 年、オーストラリア望遠鏡国立施設のディック マンチェスターは、今こそ行動を起こすときだと判断しました。彼と彼の同僚は、背景重力波の最初のパルサー検索である Parkes Pulsar Timing Array を設立しました。ニューサウスウェールズ州の牧歌的な場所にある高さ 209 フィートのパークス望遠鏡を使用して、調査チームは調査を開始しました。彼らは、20 の最も正確なパルサーからブリップを次々と収集し、空港の出発/到着画面のようにそれらを観察し、ヘリングス-ダウンズ曲線を探しました。
さらに北方では、天文学者が同じ年の後半にヨーロッパ パルサー タイミング アレイを結成し、ドイツのエフェルスベルクにある 5 つの異なる望遠鏡でパルサーの電波を捕らえました。イギリス、チェシャー。フランス、ナンセ。プラヌ・サングニ、イタリア。オランダのウェスターボルク。それぞれの直径は 210 から 330 フィートで、18 個の高精度パルサーで時を刻みながら、現在も稼働しています。 1 日は 24 時間しか存在せず、ほとんどの望遠鏡は常にすべてがパルサーであるわけではないため、より多くの望遠鏡を使用することで、天文学者はより多くの観測を複数の機器に広げることができます。
米国では、パルサー天文学者が遅れをとっていましたが、彼らには秘密兵器がありました。望遠鏡の場合、大きいほど良いです。アメリカのソーダと同じように、アメリカの望遠鏡は競合他社よりも優れていました。米国の天文学者は、プエルトリコのアレシボ望遠鏡 (幅 1,000 フィート) とウェスト バージニア州のグリーン バンク望遠鏡 (幅 328 フィート) にアクセスできましたが、ヨーロッパの 330 フィートとオーストラリアの 1 つの 209 フィートの皿に比べて.
グリーン バンク望遠鏡を運営する国立電波天文台の所長であるフレッド ロー氏は、このサイズの違いを利用したいと考えていました。 2008 年、彼は、マクラフリン、ウェスト バージニア大学のダンカン ロリマー、天文台科学者のスコット ランサムなど、彼の天文台で働いていた、または彼の天文台を使用していた著名なパルサー科学者のグループを集めました。各科学者は、自分のお気に入りのパルサーを削りながら、それぞれのプロジェクトに取り組んでいました。彼は彼らを結びつけ、一緒に行動して協力を開始し、重力波背景の探索に参加するように言いました.
「その時、私たちは頭字語を選びました」と McLaughlin は続けます。 「もちろん、最も重要な部分です。」彼らは、北米の重力波ナノヘルツ天文台にちなみ、NANOGrav と名乗りました。
3 つのチームはそれぞれ、地理的に近いことと連邦政府の資金源のおかげで、最もよく知っている望遠鏡からデータを収集して分析しました。しかし、彼らは皆、自分たちの仕事を組み合わせれば、波をより早く感知できることを知っていました. 3 つのグループすべてが 2009 年に連携してネットワークのネットワークを形成しました:International Pulsar Timing Array (IPTA)。 39 の最高のパルサーのリストを使用して、彼らは仕事を始めました。現在、そのリストは約 100 にまで増えています。パルサーの精度を専門とするグループ間には競争が存在しますが、データを共有することの科学的メリットはコストを上回ります。 「それを成し遂げて栄光を手に入れたいと本当に思っている人もいますが、それは少数の人々のグループだと思います」とマクラフリンは言います. 「ほぼ全員が、最初の検出が IPTA データから行われることを認めています。」
ただし、ある意味では、NANOGrav は信号を 1 ビットも記録しなくても、すでに新しい科学を生み出しています。
広く認識されていないのは、パルサー タイミング アレイの実験からの沈黙が、「発見された」以上の最初の科学の一部であるということです。または「私たちはそれらを見つけられませんでした！」 - 何十年にもわたる実験的な重力波研究の成果。そのため、LIGO の発見が非常に大きくなりすぎて、他の研究が重要とは思えなくなると、McLaughlin は腹を立てます。 「何人かの人に『今すぐ諦めるの？』と言われたことがあります」と彼女は言います。 「私は『いや、それは問題じゃない』って感じです。」
NANOGrav が探している重力バックグラウンド ノイズは、超大質量ブラック ホールの全集団に由来するため、LIGO 検出が行ったように、個々のオブジェクトだけでなく、銀河集団全体の形成と進化も説明します。その結果、信号のサイズは宇宙の基本的な特徴の一部を反映しています。
その信号のサイズを推定するために、科学者は、宇宙が保持している二重超大質量ブラックホールの数、それらの大きさ、それらが互いに飛び交う速さ、およびそれらがどこにあるかのモデルを使用しました。これらの推定値は、銀河がどのように形成され、時間とともにどのように変化し、どのように大きくなるかについての最先端の理解を反映しています。結論として、彼らが約 20 個のパルサーを 5 ～ 10 年間監視した場合、それらの感度はナノヘルツの重力背景ドローンを聞くのに十分なはずであるということでした。アレイの開始から 11 年経ってもまだ何も発見されていなかったとき、彼らは事実上、これらの最初の仮定のいくつかが間違っていたことを学びました。 2015 年に 3 つのチームはすべて、実際の騒音振幅は当初の見積もりよりも少なくとも 10 倍低くなければならないと見積もっていました。
予想される信号強度のこの低下は一種の反ニュースであり、LIGO の歴史的な検出とは正反対です。しかし、銀河の形成と進化の概念を再考するよう科学者に挑戦することは、興味深い新しい科学につながる可能性があります。おそらく、中心に大きなブラック ホールをホストする銀河は、科学者が考えていたより少ないでしょう。おそらく、銀河の合体は推定されたよりも少ない頻度です。 (ミンガレリによれば、現在、彼らは「より少ない」が実際に何を意味するのかを理解しようとしている.また、ほとんどのブラック ホールの合体は、穴が十分に接近して膨張する (検出可能な) 重力波を放出する前に何らかの形で失速し、2 つのブラック ホールは互いに無限に周回し続け、決して合体しない可能性もあります。あるいは、科学者が超大質量ブラック ホールのサイズをまったく間違って測定しており、それらがかつて考えられていたよりも小さいため、波が小さくなっているのかもしれません。現在、これらすべてのシナリオが可能性として機能しています。
もちろん、目標は実際の検出を行うことです。 NANOGrav は、9 年間のデータセットからの新しい計算に基づいて、あと 5 年から 10 年で最終的に雑音を聞くのに必要な感度に達すると推定しています。彼らの最新の論文では、彼らの感度の見積もりには、毎年 4 つの新しい超安定パルサーが追加され、54 から約 100 に増加することが含まれています。カリフォルニア工科大学の客員研究員、ジェット推進研究所の研究科学者。しかし、彼は、「自然が私たちの目標を私たちが思っているよりも遠くに置いた可能性がある」可能性もあると警告しています.
検出までの時間は、より現実的なもの、つまり資金にも依存します。 「[もし]グリーンバンク望遠鏡またはアレシボへのアクセスを失うと、検出までの時間は数年先送りされます.両方を失うと、おそらく永遠に.国立科学財団は、2017 年または 2018 年にグリーン バンクへの資金提供を停止し、天文台は民間パートナーシップを追求しています。アレシボでは、閉鎖の脅威が何年にもわたって発生してきましたが、パークスの場合もそうであったように、今年の夏を含めて、両方の望遠鏡は開いたままです。ヨーロッパの人々は、今のところ安全です。
何が起ころうとも、NANOGrav は LIGO の最初の発見を補完する多くのカテゴリの機器になるものの 1 つの例である、と Vallisneri は言います。彼が言うように、「天文学者たちは、ガリレオが最初に木星の衛星と金星の位相を確認した後も、注意を怠りませんでした。」
Sarah Scoles は、コロラド州デンバーを拠点とするライターであり、 の寄稿者です。 有線科学。
リード フォト コラージュは、ESO/G の画像を使用して作成されました。ボノ＆CTIOとPixabay
