重力波とは|天文学

最もきびしい名前ではないかもしれませんが、イベント GW150914 宇宙を理解する上で非常に重要です。このイベントは、「重力波」の省略形である接頭辞として「GW」を含む名前と、観測日 - 15/09/14 - で、人類の最初の重力波の直接検出を示しました。

これは 2 つの面で画期的でした。まず、ほぼ 1 世紀前にアルバートアインシュタインの一般相対性理論によってなされた予測を確認することに成功しました。宇宙で発生するイベントは時空をゆがめるだけでなく、場合によっては実際にこの宇宙構造に波紋を送ることができるという予測.

この観察の 2 番目の重要な側面は、宇宙、その出来事、および物体を「見る」ためのまったく新しい方法を表しているという事実でした。宇宙を調査するこの新しい方法は、まったく新しい形の天文学を生み出しました。マルチメッセンジャー天文学。これは、電磁スペクトルでの宇宙の「伝統的な」観測と重力波の検出を組み合わせて、以前は見えなかった物体を観測できるようにします。

このように、重力波の発見は宇宙にまったく新しい窓を開きましたが、重力波とは何か、重力波を生み出す物体について何を明らかにし、そのような小さなものをどのように検出するのでしょうか。現実そのものの震え?

1 重力波:基本
2 つの理論的基盤
3 重力波はどこから来るのですか?
4 重力波を検出する方法
5種類の重力波
6 つの連続重力波
7 つのコンパクトバイナリインスパイラル重力波
8 つの確率的重力波
9 天文学の新時代
- 9.1 ソースと参考文献

重力波:基本

重力波は、時空の構造の波紋です。
これらの波紋は、光速で発生源から伝わります。
重力波の通過により、空間自体が押しつぶされたり引き伸ばされたりします。
重力波は、物体間の距離のこれらの非常に小さな変化を測定することで検出できます。
時空を曲げるオブジェクトまたはイベントによって、その曲率が形を変えたときに作成されます。
重力波の原因には、ブラックホールと中性子星の衝突、超新星、重力崩壊中の星などがあります。

理論的基盤

湖のほとりに座って、自然にも、風にも、微風にも邪魔されない静かな水面を静かに眺めているところを想像してみてください。突然、小さな子供が小石を湖に投げ込んで通り過ぎました。静けさが一瞬で打ち砕かれる。しかし、平和が戻ったとしても、湖の中心から広がるさざ波が岸に到達するにつれて減少し、障害物に遭遇したときにしばしば分裂したり反射したりするのを見ることができます.

湖の表面は、時空の構造の緩やかな 2D アナロジーであり、小石は 2 つのブラックホールの衝突のようなイベントを表しており、地球上の私たちの位置は、岸辺の草の葉に相当し、波紋をかろうじて感じています。

重力波は、1905 年にアンリポアンカレによって光速で伝播する時空構造の乱れとして最初に予測されましたが、その概念が物理学者によって実際に理解されるまでにはさらに 10 年かかります。これは、アルバートアインシュタインが、1916 年に革命的な重力の幾何学的理論 (一般相対性理論としてよく知られている) の一部として同じ現象を予測したときに起こりました。

この理論は、質量のある物体が時空のゆがみを引き起こすことを示唆することで最もよく知られていますが、加速する物体がこの曲率を変化させ、さざ波がエコーするはずであるという仮説をさらに進めました。時空。時空におけるそのような乱れは、宇宙の出来事が単純に展開する別個の実体として空間と時間の構造を見たニュートンの重力観では許されなかっただろう.

しかし、アインシュタインの動的で変化する統一時空の段階では、そのような波紋は許容されました。

重力波は、一般相対性理論の中心にあるテンソル方程式の波のような解を見つける可能性から生じました。アインシュタインは、重力波は超高密度中性子星の連星系やブラックホールの合体などの大質量体の相互作用によって大量に発生すると考えていました.加速している天体によるものではありませんが、地球に拘束されている加速している天体は、小さすぎて検出できない摂動を引き起こします。したがって、なぜ私たちの調査は、自然がはるかに巨大なオブジェクトを提供してくれる宇宙の領域に目を向けなければならないのでしょうか.

これらのさざ波は、すべての方向に光の速度でソースから外側に放射されるため、それらを作成したイベントまたはオブジェクトに関する情報を運びます.これだけでなく、重力波は時空そのものの性質について多くのことを教えてくれます。

重力波はどこから来るの?

ここ地球上の信じられないほど正確な機器で検出できるほど強力な重力波を発射できるイベントが数多くあります。これらの出来事は、宇宙が提供しなければならない最も強力で暴力的な出来事の一部です.たとえば、時空で最も強いうねりは、おそらくブラックホールの衝突によって引き起こされます。

他の衝突イベントは、強い重力波の生成に関連しています。たとえば、ブラックホールと中性子星の合体、または 2 つの中性子星の衝突などです。

しかし、コズミックボディが波を起こすために必ずしもパートナーを必要とするわけではありません。超新星爆発による星の崩壊 – ブラックホールや中性子星のような星の残骸を残すプロセス – も重力波の生成を引き起こします。

重力波がどのように生成されるかを理解するには、パルサー (スペクトルの電波領域で電磁放射の規則的なパルスを放出する 2 つの中性子星の連星系) に注目することが役立ちます。

アインシュタインの理論は、このようなシステムは重力波の放出によってエネルギーを失っているはずだと示唆しています。これは、システムの軌道周期が非常に予測可能な方法で減少することを意味します。

星同士の引力に抵抗する系内のエネルギーが少なくなると星同士が引き寄せられ、その結果、星の軌道速度が速くなり、電波のパルスが放射される間隔が短くなります。 .これは、電波が直接私たちの視線に向かうまでの時間が短縮されることを意味します。

これはまさに、1974 年に発見された 2 つの急速に回転する中性子星からなるハルス・テイラー系 (PSR B1913±16) で観測されたものです。この観測により、プリンストン大学のラッセル A. ハルスとジョセフ H. テイラー Jr は、1993 年にノーベル物理学賞を受賞しました。ノーベル委員会が与えた理由は、「新しいタイプのパルサーの発見、重力の研究に新たな可能性を切り開いた発見のため」でした。

間違いなく印象的で重要な科学的成果ですが、これは依然として重力波の間接的な証拠に過ぎませんでした。アインシュタインが予測したパルサーの自転の短縮効果は確かに存在していたが、これは実際に直接検出されたわけではなかった.重力波のヒントを得ることができる唯一の方法です。偉大な物理学者は、それらの時空の波紋が非常に微弱であるため、当時考えられたどんな技術的手段によっても検出できないと信じていました.

幸いなことに、アインシュタインは間違っていました。

重力波を検出する方法

重力波を実際に検出するには、非常に感度の高い機器が必要であることは驚くべきことではありません。重力波の効果、つまり空間自体の収縮と伸張は、目立つように見えるはずですが、この擾乱が発生する程度は非常に小さいため、まったく感知できません。

幸いなことに、小さなものを扱うのにかなり熟達している物理学の分野です。重力波を検出するために、研究者は干渉と呼ばれる効果を使用します。これは、史上最も有名な量子物理学実験で実証されたものです。二重スリット実験。

物理学者は、レーザー干渉計を使用して空間の小さな収縮と伸張を測定できることに気付きました。これにより、機器のアームがわずかに収縮するからです。これは、レーザーを分割して干渉計のアームを介して送信する場合、重力波の通過によって空間が圧迫されると、一方のレーザーが他方のレーザーよりわずかに先に到着することを意味します。つまり、位相がずれており、破壊的な干渉を引き起こします。したがって、この到達時間の差が干渉を引き起こし、重力波がアームの 1 つを横切ってさざ波を起こしたことを示します。

しかし、どのレーザー干渉計でもできるわけではありません。物理学者は、エンジニアリングの正当な偉業を構成するほど大きな干渉計を必要とするでしょう。レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) に入ります。

LIGO 検出器は、ハンフォード天文台とリヴィングストン天文台にある 2 つのレーザーエミッターを使用し、数千キロメートル離れて非常に高感度の干渉計を形成しています。これらのエミッターからレーザーが干渉計の「アーム」に送られます。このアームは実際には長さ 4 km の真空チャンバーです。

これにより、非常に高感度なシステムが実現し、次のような時空の偏差を測定できます。原子核の1万分の1の大きさ。これを天文学的な文脈に当てはめます。これは、4.2 光年の距離にある星を見つけ、その位置を人間の髪の毛の幅内に特定することに相当します。これは、あらゆる科学実験で実際に試みられた最小の測定値です。

そして 2015 年、この骨の折れる作業は実を結びました。

2015 年 9 月 14 日、LIGO と Virgo の共同研究により、2 つのブラックホールの渦巻きと最終的な合体から発生する重力波信号が発見されました。1 つは太陽の質量の 29 倍、もう 1 つは星の質量の 36 倍です。受信した信号の変化から、科学者は結果として生じる単一のブラックホールも観測できました。

GW150914 と名付けられた信号、重力波の最初の観測だけでなく、人類が初めて連星質量ブラックホールシステムを「見た」ことを表し、そのような合体が宇宙の現在の時代に存在する可能性があることを証明しました.

さまざまな種類の重力波

重力波が最初に検出されて以来、研究者たちは一連の重要かつ画期的な検出を行ってきました。これらにより、科学者はさまざまな種類の重力波とそれらを生成する可能性のある物体を分類することができました。

連続重力波

中性子星のような単一の自転する大質量物体は、この星の球形の不完全さの結果として、連続的な重力波信号を引き起こすと考えられています。スピンの速度が一定のままである場合、それが放出する重力波も一定のままであり、単一の音符を保持している歌手のように、連続的に同じ周波数と振幅になります。研究者は、LIGO が検出した信号が音に変換された場合に、到達する連続重力波がどのように聞こえるかのシミュレーションを作成しました。

中性子星によって生成される種類の連続重力波の音を下で聞くことができます。

コンパクトバイナリインスパイラル重力波

これまでに LIGO によって検出されたすべての信号は、ブラックホールや中性子星などの巨大な周回物体のペアによって生成される重力波として、このカテゴリに適合します。

ソースは 3 つの異なるサブカテゴリに分類されます:

連星ブラックホール (BBH)
連星中性子星 (BNS)
中性子星-ブラックホール連星 (NSBH)

これらのタイプのバイナリペアリングはそれぞれ、独自の重力波のパターンを作成しますが、波の生成 - インスピレーションの生成の全体的なメカニズムは同じです。このプロセスは数百万年にわたって発生し、重力波がシステムからエネルギーを運び去り、物体が出会うまで渦巻き状に近づいていきます.これにより、オブジェクトがより速く移動するようになり、その結果、強度が増す重力波が作成されます。

中性子星間の最終的な合体の「チャープ」は音波に変換され、以下で聞くことができます。

確率的重力波

LIGO でさえ正確に特定できない小さな重力波が、常にあらゆる方向から地球上を通過している可能性があります。これらはランダムな性質のため、確率的重力波として知られています。この確率的信号の少なくとも一部は、ビッグバンで発生した可能性があります。

最終的にこの信号を検出できれば、どの電磁信号よりも宇宙の歴史を「見る」ことができ、光子が宇宙を自由に移動できるようになる前の時代までさかのぼることができます。 .

この確率信号のシミュレートされた音を以下で聞くことができます。

宇宙のさまざまな天体や出来事を考えると、他の種類の重力波信号が存在する可能性は非常に高いです。これは、そのような信号を検出するための探求が、実際には未知の探索であることを意味します.幸いなことに、宇宙を探索する私たちの能力は、重力波を検出する能力によって大幅に向上しました.

天文学の新時代

GW150914 これは、アインシュタインの最も革新的な理論が、1955 年の彼の死からほぼ正確に 60 年後に確認されたことで、一般相対性理論の予測と正確に一致していました。実際、これらの時空のさざ波は、宇宙を見るまったく新しい方法を私たちに与えてくれました.

重力波が発見される前は、天文学者は電磁放射で描かれた宇宙の眺めに制限されていたため、私たちの観測はその特定のスペクトルに限定されていました.

電磁スペクトルだけを使用して、天文学者は天体や宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) を発見することができました。これは初期宇宙における最初の出来事の 1 つである、電子が陽子と結合した再結合時代の「遺物」です。光子が際限なく散乱するのではなく、移動を開始できるようにします。したがって、CMB は、宇宙が光に対して透明になり始めた時点のマーカーです。

しかし、伝統的な天文学が私たちの宇宙理解を大きく前進させたにもかかわらず、電磁放射の利用は非常に限られています。光が逃げることができないブラックホールを直接「見る」ことはできません。また、宇宙の総質量の約 85% を占める、銀河の主要な物質形態である、非バリオン、非発光の暗黒物質を見ることもできません。「非発光」という用語は、暗黒物質が電磁スペクトルと相互作用しないことを示唆しているため、光を吸収も放出もしません。これは、電磁スペクトルだけで観測しただけでは、宇宙の大部分の物質を見ることができないことを意味します.

明らかに、これは問題です。しかし、ブラックホールと暗黒物質の両方がかなりの重力効果を持っているため、重力波スペクトルを使用することで回避できます.

重力波には、電磁放射に比べて別の重要な利点もあります。

この新しい形式の天文学は進行波の振幅を測定しますが、電磁波天文学は波のエネルギーを測定します。これは波の振幅の 2 乗に比例します。

したがって、従来の天文学における天体の明るさは距離の 1 倍で与えられますが、「重力による明るさ」は距離の 1 倍だけ低下します。これは、星の可視性が重力波で持続する距離が、電磁スペクトルで持続するよりもはるかに長いことを意味します。

もちろん、これは重力波天文学が従来の電磁スペクトル天文学に「取って代わる」ことを示唆するものではありません。実際、この 2 つは、エキサイティングな新しい分野であるマルチメッセンジャー天文学で統合されたときに最も強力になります

情報源と参考文献

マッジョーレ。 M.、重力波:理論と実験、Oxford University Press、 [2019]

マッジョーレ。 M., Gravitational Waves:Astrophysics and Cosmology, Oxford University Press, [2019]

コリンズ。 H.、Gravity’s Kiss:The Detection of Gravitational Waves、MIT Press、 [2017]

もっと深く見て、LIGO、 [https://www.ligo.caltech.edu/page/look-deeper]

重力波とは