私たちの耳は今、重力のかすかな交響曲に耳を傾けています。 9 月 18 日、Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Advanced LIGO) は、時空の構造を微妙にゆがめる宇宙のさざなみである重力波の観測を開始しました。アルバート アインシュタインは、これらの波が存在することを意味する方程式を解き、ほぼ 1 世紀後、高度な LIGO がそれらを初めて直接検出しようとしているという期待が高まっています。
長い待機期間は、重力波研究者が直面する激しい実験的課題を示しています。強力な重力波信号 (たとえば、2 つのブラック ホールの衝突によって生成される信号) でさえ、レーザー ビームの長さを数 km 縮小または拡大する可能性があるのは、陽子の幅のほんの一部だけです。 2001 年から 2010 年にかけて実施された LIGO 実験の最初の反復は、人間と自然の両方の発生源からの疑似ノイズによって妨害されました。遠くの貨物列車や伐採された木のかすかなゴロゴロ音、さらには突然の突風です。 .
いくつかの実験では、ビッグバンの直後に存在した可能性のある重力波の間接的な証拠を見つけようとしていますが、Advanced LIGO の主な目的は、天文学的なソースからの重力波の証拠を直接検出することです。たとえば、中性子星やブラック ホールの衝突などです。光ではなく重力を集める望遠鏡です。
初期の LIGO と同様に、Advanced LIGO には 2 つの場所 (ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストン) に検出器があります。2 つの検出器を使用することで、科学者は信号を関連付けることができます。実際のイベントは、両方で認識される音のような信号を生成する必要があります。貨物列車はそうではありません。アップグレードされた装置は、最初の LIGO の約 10 倍の感度です。
バトン ルージュにあるルイジアナ州立大学の物理学者である Gabriela González は、1993 年から LIGO の構築、テスト、および調整に携わってきました。現在、このコラボレーションには 900 人以上の科学者が参加しています。ゴンザレスは 2011 年にこのコラボレーションのスポークスパーソンに選出され、実質的に組織のリーダーになりました。彼女は今日もその地位を維持しています。
クォンタ マガジン は、重力波の聴取、Advanced LIGO の開始、重力波を初めて見る可能性についてゴンザレスと話しました。インタビューの編集および要約版が続きます。
QUANTA MAGAZINE:重力波は何を教えてくれるでしょうか?
GABRIELA GONZÁLEZ:まず第一に、私にとって最もエキサイティングなことは、彼らは時空が揺れ動いていると言っているということです。それは気が遠くなるようなことです.
それが LIGO で働くことになった理由ですか?
出身地であるアルゼンチンで大学を始めたとき、相対性理論は私にとってとても美しいものでした。コルドバ大学には相対性理論の非常に強力なグループがありました。理論的な研究を始めました。私の夫は博士号を取得しました。ちょうど同じ頃、私は学士号を取得しました。シラキュース大学には相対性理論と量子重力の強力なグループがあり、それが私の夫がやりたかったことです。それでシラキュースに行きました。吹雪の真っ只中の2月に到着しました。地理的、気候的ショックについて話してください。
私が大学院 3 年生のとき、新しい教授であるピーター ソールソンがシラキュース大学に加わり、彼は LIGO と、これらの歪みを時空で測定する方法について話しました。そして、それをまとめると、ここ地球上で、あなたの隣で起こっていること、時空の波紋であり、何百万光年も離れたブラックホールから情報をもたらしていることの測定値は、非常に魅力的でした.私は言った、それが私がやりたいことです。それが私がしたことです。自然にとって非常に基本的なこの歪みを測定できるという事実は、私にいつも刺激を与えてくれます.
探しているオブジェクトのタイプは何ですか?
中性子星は、ブラックホール以外で最もコンパクトな星です。私たちは、それらがペアで存在し、回転することでお互いに近づくことを知っています。それらは重力波の形でエネルギーを失い、合体するとブラックホールを形成します。また、このダンスを行い、合体して大きなブラック ホールを形成する中型のブラック ホールがたくさんある可能性もあると考えています。したがって、これらのバイナリ システムは、最初に検出される可能性が最も高いソースです。
また、ビッグバンの直後に形成されたと考えられる確率的背景 [重力波のノイズのようなシューという音] も探します。この重力波背景はすべての周波数に存在します。小さすぎて見えないかもしれませんが、そのような背景も探します。
Advanced LIGO がすでに重力波を検出したという噂があります。
検出器がどのように機能しているかを理解するには数か月かかるため、私たちが言えることは何もありません.しかし、検出器を稼働させてまだ 1 か月しか経っていません。自信を持ってデータについて何かを知る方法はまだありません。
高度な LIGO は重力波をどのように検出しますか?
私にとって、それは最も驚くべきことです。 LIGO は非常に複雑ですが、精密な装置です。これは干渉計です。つまり、レーザー光源をビーム スプリッターで 2 つに分割します。マシンの垂直アームを 4 km 移動する 2 つのビームがあり、最後にミラーを見つけ、反射して戻ってきます。これらの光線が移動した距離のわずかな違いがわかります。
アイデアは、重力波が時空を歪め、一方の腕が短くなり、もう一方の腕が長くなるというものです。これにより、ビームが検出器に戻ってくるときにビームに位相差が生じます。私たちはそれを光量の変化として見ています。重力波がなければ、ビームが戻ってきたときに正確に位相がずれているため、光を検出できません。しかし、重力波があれば、何らかの光を検出できます。
そして、このスケールを示すために、これらの光線は 4 km 移動し、その距離で陽子の直径よりも小さい差を検出できます。実際、最善を尽くしても、陽子の直径の 10,000 分の 1 を行っています。
Quanta Magazine の William Widmer
ビデオ: Gabriela González が、重力波を使用してブラックホールの衝突を測定する方法を説明します。
陽子の直径の 1 万分の 1 未満の長さを検出するにはどうすればよいでしょうか?
私が説明したように、それは簡単に聞こえます。ビーム スプリッター、レーザー、2 つのミラーです。しかし、制御する必要のあるものが何千、何千もあります。鏡が動いているので、距離は常に変化しています。これらのミラーの原子運動、ブラウン運動が私たちを制限しすぎないようにするために、多くのトリックが必要です.これはすべて真空中で行う必要があります。あなたは光子を数えていますが、光子の数には量子的な不確実性があります。現場での大変な努力により、これらのノイズ源を減らし、現在の感度を得ることができました。
それが初期の LIGO とアドバンスト LIGO の違いですか?
外から見ると同じに見えるので、すごいです。それは同じ天文台、同じ真空チャンバーです。しかし、内部では、すべてが異なります。レーザーは 10 倍強力で、より多くの安定性と機能を備えています。初期の LIGO では、ミラーは 1 つのサスペンションからぶら下がっていましたが、それは地震のノイズを減らすために「ショックアブソーバー」からぶら下がっていました。 Advanced LIGO では、アクティブな免震システムから吊り下げられた 4 重サスペンションにミラーがあります。これは、ノイズをキャンセルする多くのセンサーとプッシャー (アクチュエーターと呼んでいます) を備えたシステムです。そのため、彼らは地面の動きを測定し、それをキャンセルします。
高度な LIGO が観測できる宇宙の範囲は?
検出器の感度は、中性子星連星系に対する検出器の感度によって表されます。最初の LIGO では、最大 20 メガパーセク離れたこれらの星系を検出できました。 [1 メガパーセクは約 330 万光年です。] 現在、60、70、時には 80 メガパーセク離れたところまで見ることができます。しかし、高度な LIGO 検出器は、さまざまな機能を追加して、200 メガパーセクに達するはずだと考えています。
そして、この感度により、高度な LIGO は重力波を検出できるでしょうか?
2 つの検出器で 200 メガパーセクの感度で、年間数十のイベントの割合が予想されます。 150 メガパーセクの場合、年に数回発生する可能性があります。しかし、それはすでに複数です!
Advanced LIGO の最初の実行は数か月しか予定されていませんよね?
そうです、検出器をさらに改善したいからです。物事が非常に早く見えるようになると予測する [天文学] モデルがいくつかあるので、それらが正しいことを願っています。来年は、6 か月分のデータを取得する予定です。そして毎年、何かが見えるまで、感度が向上し、より長く実行されます.
検出が完了すると、多くの分析が行われます。
はい、大変な手間と時間がかかります。過去数か月間、検出のヒントが得られた場合に実行する手順について、先を見越して検討してきました。それをどのように検証しますか？どのように準備しますか？大規模なコラボレーションでどのように議論しますか? 900人います。検出手順があり、どれくらいの時間がかかるかを推定しようとしています。私たちの楽観的な見積もりは 3 か月です。
重力波天体物理学の長期目標は何ですか?
今後数年で検出されると思います。しかし、その数はごくわずかで、天文学では、人々ははるかに大きな数に慣れています。したがって、10 年から 15 年以内に、おそらく複数の国が協力して建設する必要のある、より大きな施設が建設されると思います。私はそれらの作業に深く関与していると思います.
欧州宇宙機関が 2034 年に開始するように割り当てた宇宙ベースのプロジェクトがあります。地上の検出器からの重力波の発見により、そのプロジェクトがはるかに速く進行することを本当に望んでいます。もちろん、宇宙プロジェクトには常に時間がかかります。その時点から、重力波天文学のすべての異なる波長で爆発が起こると思います。光のようになります。重力波のスペクトルになります。
重力波が観測されると、宇宙への新しい窓が開かれるという詩的な考えがあります。
これは間違いなく新しい窓を開いていますが、それは単なる詩ではなく、科学です。たとえば、私たちが期待していることの 1 つは、おそらく最初ではないか、10 番目ではないかもしれませんが、最終的には来るでしょう.2 つの中性子星、または中性子星と黒ガンマ線バーストとしても検出されます。ガンマ線バーストは非常に頻繁に検出され、短いバーストと長いバーストの 2 種類があります。短いものはこれらの合併によるものです。これらは、ガンマ線と重力波という 2 つの非常に異なるウィンドウです。
最初の重力波検出はあなたにとって何を意味しますか?
その最初のイベントに多くの期待が寄せられています。 1 つを取得すると、他の人が続きます。そして真の科学は、ブラックホールの数、中性子星の数、中性子星の組成を知ることであり、最初の検出ではなく、多くの検出から得られるものです。その最初のイベントを乗り越えることを本当に楽しみにしています.
