これらの「重力波」がアルバート アインシュタインの一般相対性理論によって予測されてから 100 年後、物理学者がそれらを探し始めてから半世紀後、ブラック ホールの激しい合体によって引き起こされた時空の波紋が検出されました。
ランドマークの発見は本日、Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Advanced LIGO) チームによって報告され、グループの最初のラウンドのデータ分析を取り巻く数か月にわたる噂を確認しました。天体物理学者は、重力波の検出が宇宙への新しい窓を開き、光学望遠鏡では見ることができない遠くの出来事を明らかにすると言いますが、そのかすかな震えは宇宙全体で感じられ、聞くことさえできます.
「重力波を検出しました。やりました！"本日、ワシントン D.C. で開催された全米科学財団の記者会見で、1,000 人のメンバーからなるチームのエグゼクティブ ディレクターである David Reitze が発表しました。
重力波はおそらく、アインシュタインの理論の中で最もとらえどころのない予測であり、彼と同時代の人々が何十年も議論してきた理論です。彼の理論によれば、空間と時間は、重い物体の下で曲がる伸縮性のある生地を形成し、重力を感じるとは、生地の曲線に沿って落ちることです。しかし、「時空」ファブリックはドラムの皮のように波打つことができるでしょうか?アインシュタインは、彼の方程式が何を意味するのか混乱して、フリップフロップしました.しかし、頑固な信者でさえ、いずれにしても重力波は弱すぎて観測できないだろうと考えていました。それらは、特定の大変動イベントから外側にカスケードし、時空を交互に伸ばしたり縮めたりします。しかし、波がこれらの遠隔地から地球に到達するまでに、それらは通常、原子核の幅のごくわずかな割合で、1 マイルの空間を引き伸ばしたり、圧迫したりします。
波を知覚するには、忍耐と繊細なタッチが必要でした。高度な LIGO は、2 つの L 字型検出器 (1 つはワシントン州ハンフォード、もう 1 つはルイジアナ州リビングストン) の 4 キロメートルのアームに沿ってレーザー ビームを前後に反射させ、重力波によって引き起こされるアームの同時膨張と収縮を探します。彼らは合格しました。最先端のスタビライザー、真空、数千のセンサーを使用して、科学者は陽子の幅の 1000 分の 1 という小さな腕の長さの変化を測定しました。この感度は 1 世紀前には想像を絶するものであり、1968 年にマサチューセッツ工科大学のライナー ワイスが LIGO となった実験を思いついたとき、信じられないほど多くの人を驚かせました。
彼らがついにそれをやってのけたことは大きな驚きです。彼らはこれらの小さな鼻くそを検出することができました!」アーカンソー大学の理論物理学者であり、2007 年の著書 Traveling at the Speed of Thought の著者である Daniel Kennefick は、次のように述べています。 :アインシュタインと重力波の探求 .
この検出は、重力波天文学の新時代の到来を告げるものであり、ブラック ホールの形成、人口、および銀河系の役割の理解を深めることが期待されています。ブラック ホールは、光さえも逃れることができないほど急激に時空を曲げる超高密度の質量のボールです。 .ブラック ホールが互いに渦巻いて合体するとき、それらは「チャープ」を放出します。これは、急激に終了する前にピッチと振幅が高くなる時空間のさざ波です。 LIGO が検出できるチャープ音は、たまたま可聴範囲内にありますが、あまりにも静かすぎて肉眼では聞こえません。ピアノの鍵盤に沿って指をなぞると音を再現できます。 「ピアノの一番低い音から始めて、中央の C に行きます」と Weiss は言いました。 「それは私たちが聞いていることです。」
NSF
音声: LIGO チームによって記録された重力波の「チャープ」。
物理学者は、これまでに検出された信号の数と強度にすでに驚いています。これは、予想よりも多くのブラック ホールがそこにあることを示しています。カリフォルニア工科大学の理論物理学者で、Weiss と同じく Caltech の Ronald Drever と共に LIGO を設立した Kip Thorne は、次のように述べています。 「これは通常、宇宙にまったく新しい窓が開かれたときに起こります。」
C.ヘンツェ / NASA
ビデオ: 2 つのブラック ホールの合体とその結果としての重力放射の放出のシミュレーション。
重力波の盗聴は、宇宙に対する私たちの見方を別の方法で再形成し、おそらく想像を絶する宇宙の出来事を明らかにする可能性があります.
コロンビア大学バーナード カレッジの理論天体物理学者である Janna Levin 氏は、次のように述べています。 「人々はそこに見える何かがあることに気づきましたが、宇宙に存在する巨大で信じられないほどの可能性を予見していませんでした。」同様に、重力波の検出によって、「宇宙には望遠鏡では検出できない暗い物質がたくさんある」ことが明らかになる可能性があると、レビン氏は述べています。
最初の重力波検出の話は 9 月の月曜日の朝に始まり、それは強烈な音から始まりました。その信号は非常に大きくてはっきりしていたので、ワイスは「これはクソだ。それはダメだ。」
フィーバーピッチ
その最初の重力波は、データ収集が正式に開始される予定の 2 日前の 9 月 14 日の早い時間に行われた模擬実験中に、Advanced LIGO の検出器を横切りました。最初はリビングストンで、次にハンフォードで 7 ミリ秒後に発生しました。
検出器は、5 年間に 2 億ドルを費やしたアップグレードを経て、再び起動しようとしていました。このアップグレードでは、新しいノイズ減衰ミラー サスペンションと、リアルタイムで無関係な振動をキャンセルするためのアクティブ フィードバック システムが装備されていました。アップグレードにより、Advanced LIGO は、2002 年から 2010 年まで Weiss 氏が述べたように「良好なゼロ点」を検出した前身の「初期 LIGO」よりも感度が大幅に向上しました。
大きな信号が9月に到着したとき、朝だったヨーロッパの科学者たちは必死になってアメリカの同僚に電子メールを送った.チームの他のメンバーが目を覚ますと、ニュースはすぐに広まりました。 Weiss 氏によると、事実上誰もが懐疑的でした。特に信号を見たときはそうでした。多くの人がデータがハッキングされたのではないかと疑うほどの教科書的なさえずりでした.
重力波の探索における誤った主張には長い歴史があり、1960 年代後半にメリーランド大学のジョセフ ウェーバーがアルミニウムの棒が波に反応して共鳴しているのを観察したと考えたのに始まります。ごく最近では、2014 年に BICEP2 と呼ばれる実験で、原始重力波の検出が報告されました。これは、宇宙の幾何学に引き伸ばされ、永久に凍結されるビッグバンからの時空の波紋です。 BICEP2 チームは、結果が査読される前に大々的に公開されましたが、彼らの信号が宇宙塵からのものであることが判明したとき、火傷を負いました。
アリゾナ州立大学の宇宙学者であるローレンス・クラウスは、高度な LIGO 検出の風に耳を傾けたとき、「最初に考えたのは、それは盲目的な注射だったということでした」と彼は言いました。最初の LIGO では、応答をテストするためにシミュレートされた信号がデータ ストリームに密かに挿入されていましたが、チームのほとんどには知られていませんでした。クラウスは、今回は盲目的な注射ではないことを内部の情報源から聞いたとき、興奮を抑えきれませんでした.
9 月 25 日、彼は 20 万人のフォロワーに次のようにツイートしました。本当ならすごい。生き残ったら詳細を投稿します。」その後、1 月 11 日、「LIGO に関する私の以前の噂は、独立した情報源によって確認されました。乞うご期待！重力波が発見されたかもしれません!」
チームの公式スタンスは、完全に確信が持てるまでシグナルについて沈黙を守ることでした。秘密の誓いに縛られたソーンは、妻にさえ話しませんでした。 「プライベートで祝った」と彼は言った。チームの最初のステップは、信号が検出器の何千もの異なる測定チャネルを介してどのように伝播したかを耐え難いほど詳細に分析し、信号が見られた瞬間に何か奇妙なことが起こったかどうかを確認することでした.彼らは何も異常を発見しませんでした。彼らはまた、実験の何千ものデータストリームについて誰よりもよく知っていなければならなかったであろうハッカーを除外しました. 「ブラインド注射を行うチームでさえ、多くの指紋を残さないほど十分に注射を完成させていません」とソーンは言いました. 「そして、指紋はありませんでした。」
その後の数週間で、別の弱い鳴き声が現れました。
科学者たちは、これらの最初の 2 つの信号をさらに多くの方向に流したものとして分析し、その論文を Physical Review Letters に提出しました。 1月に;今日オンラインに登場しました。最初の最大の信号の統計的有意性の推定値は「5 シグマ」を超えています。つまり、科学者はそれが本物であると 99.9999% 確信しています。
重力を聞く
アインシュタインの一般相対性理論の方程式は非常に複雑であるため、ほとんどの物理学者が重力波が存在し、理論上でも検出可能であることに同意するまでに 40 年かかりました。
アインシュタインは最初、物体は重力放射の形でエネルギーを放出できないと考えていましたが、その後考えを変えました。彼は 1918 年の影響力のある論文で、どのようなことができるかを示しました:連星や爆竹のようにはじける超新星など、一度に 2 つの軸を中心に回転するダンベルのようなシステムは、時空に波を作ることができます。
それでも、アインシュタインと彼の同僚はぐずぐずし続けました。一部の物理学者は、波が存在したとしても、世界は波とともに振動し、波は感じられないと主張しました。リチャード ファインマンがその疑問を解決したのは 1957 年のことでした。重力波が存在する場合、理論的に検出可能であることを示す思考実験が行われました。しかし、これらのダンベルのような発生源が私たちの宇宙の近所でどれほど一般的であるか、または結果として生じる波がどれほど強いか弱いかは誰も知りませんでした. 「究極の問題がありました。本当にそれらを検出できるでしょうか?」ケネフィックは言った.
1968 年、"Rai" Weiss は MIT の若き教授でしたが、一般相対性理論のクラスを教えることになっていました — 彼は実験者としてほとんど知らなかった理論です — ジョセフ ウェーバーが重力波を検出したというニュースが報じられました。ウェーバーは、米国の 2 つの異なる州に机サイズのアルミニウム棒を 3 本設置し、重力波によってすべての棒が鳴ったと報告しました。
Weiss の生徒たちは、重力波について説明し、そのニュースについて考察するように彼に依頼しました。調べてみると、彼は複雑な数学に怯えていました。 「[ウェーバー] が一体何をしていたのか、バーが重力波とどのように相互作用したのか、私には理解できませんでした。」彼は長い間座って、「重力波を検出する、私が考えることができる最も原始的なものは何ですか?」と自問しました。彼が「LIGO の概念的基礎」と呼ぶアイデアが彼の頭に浮かびました。
時空に 3 つの物体が置かれていると想像してください。たとえば、三角形の角にある鏡です。 「一方から他方に光を送ってください」とワイスは言いました。 「ある質量から別の質量に移動するのにかかる時間を見て、時間が変わったかどうかを確認してください。」結局のところ、彼は次のように述べています。私はそれを[私の生徒たち]に問題として与えました。事実上、クラス全体がその計算を行うことができました。」
次の数年間で、他の研究者がウェーバーの共鳴棒実験の結果を再現しようとして失敗したため (ウェーバーが観測したものは不明のままですが、それは重力波ではありませんでした)、ワイスはより正確で野心的な実験を計画し始めました。重力波干渉計。レーザー光は、L 字型に配置された 3 つのミラーの間で跳ね返り、2 つのビームを形成します。光波の山と谷の間隔は、2 本の腕の長さを正確に測定し、x と考えられるものを作成します。 そしてy 時空の軸。グリッドが静止している場合、2 つの光波はコーナーに跳ね返り、互いに打ち消し合い、検出器でゼロ信号を生成します。しかし、重力波が地球を横切ると、一方の腕の長さが伸び、もう一方の長さが圧縮されます (交互のパターンでその逆も同様です)。 2 つの光線の位置合わせがずれると、検出器に信号が生成され、空間と時間のつかの間の震えが明らかになります。
仲間の物理学者は最初は懐疑的でしたが、実験はすぐにソーンにチャンピオンを見つけました.Caltechの理論グループは、ブラックホールと他の潜在的な重力波源とそれらが生成する信号を研究しました.ソーンは、ウェーバーの実験とロシアの物理学者による同様の取り組みに触発されていました。 1975 年の会議でワイスと話した後、「私は重力波の検出が成功すると信じるようになりました」とソーンは言いました。彼はカリフォルニア工科大学にスコットランドの実験家ロナルド・ドレバーを雇わせた。彼もまた重力波干渉計の製作を熱望していた。ソーン、ドレバー、ワイスは最終的にチームとして働き始め、実行可能な実験を開発するために解決しなければならない無数の問題をそれぞれが分担しました。このトリオは 1984 年に LIGO を設立し、プロトタイプを構築し、成長するチームと協力した後、1990 年代初頭に NSF から 1 億ドル以上の資金を調達しました。一対の巨大な L 字型検出器の設計図が作成されました。 10 年後、検出器がオンラインになりました。
ハンフォードとリビングストンでは、真空が各検出器の 4 km のアームの中心を下って流れ、レーザー、ビーム経路、ミラーを惑星の絶え間ない振動から可能な限り隔離しています。 LIGO の科学者は、地震活動、大気圧、雷、宇宙線の到達、機器の振動、レーザー ビーム付近の音、およびすぐ。次に、バックグラウンド ノイズのこれらのさまざまなソースのデータをクレンジングします。おそらく最も重要なのは、2 つの検出器を使用することで、データをクロスチェックして、一致するシグナルを探すことができることです。
LIGO コラボレーションのアシスタント スポークスパーソンである Marco Cavaglià 氏は、真空内では、分離されて安定化されたレーザーとミラーがあっても、「奇妙な信号が常に発生しています」と述べています。科学者は、犯人を取り除くことができるように、これらの「鯉」、「幽霊」、「フリンジ海の怪物」、およびその他の不正な振動パターンをそれらの発生源まで追跡する必要があります。ポスドク研究員であり、チームの第一線で活躍するグリッチ探偵の 1 人である Jessica McIver 氏は、テスト段階で 1 つの困難なケースが発生したと述べています。それは、データに頻繁に現れる一連の周期的な単一周波数アーティファクトでした。彼女と彼女の同僚が鏡の振動を音声ファイルに変換したところ、「電話の呼び出し音をはっきりと聞くことができました」と McIver 氏は述べています。 「それは、レーザー エンクロージャ内の電話に電話をかけたテレマーケティング担当者であることが判明しました。」
Advanced LIGO の検出器の感度は、今後数年間で向上し続け、Advanced Virgo と呼ばれる 3 番目の干渉計がイタリアでオンラインになる予定です。このデータが解決に役立つ可能性がある 1 つの疑問は、ブラック ホールがどのように形成されるかということです。それらは初期の大質量星の爆縮の産物ですか、それとも密集した星団内での衝突に由来するのでしょうか? 「これらは 2 つのアイデアにすぎません。ほこりが落ち着く前に、さらにいくつかあると思います」とワイスは言いました. LIGO が今後の実行で新しい統計を集計するにつれて、科学者はこれらのブラック ホールの起源についてのささやきに耳を傾けるでしょう。
その形状とサイズから判断すると、最初の最も大きなチャープは、約 13 億光年離れた場所から発生し、それぞれ約 30 太陽質量の 2 つのブラック ホールが、長い間相互の引力の下でゆっくりと踊った後、最終的に合体しました。ブラック ホールは、終わりが近づくにつれてどんどん速く渦を巻いて、まるで排水溝の水のように、瞬く間に太陽 3 個分のエネルギーを重力波に放出しました。この合併は、これまでに検出された中で最もエネルギッシュなイベントです。
「嵐の中で海を見たことがないようなものです」とソーンは言いました。彼は 1960 年代からずっと時空の嵐を待っていました。ついに波が押し寄せてきたときに彼が経験した感覚は、興奮ではなく、別の何かであると彼は言いました:深い満足.
