3 つの検出器を使った新たな観測キャンペーンのちょうど 1 か月後、物理学者は本日、より多くの重力波を発見したと発表しました。ブラック ホールなどの 2 つの巨大な物体が互いにらせん状に衝突すると、空間に一瞬のさざ波が発生します。この協力により、合体するブラックホールのペアが 13 個、中性子星のペアが 2 個になりました。しかし、検出が蓄積されたとしても、ある理論家が進歩を遂げ、チームが信号を分析する方法を変更し、アルバート アインシュタインの重力理論である一般相対性理論のテストを容易にする可能性があります。
それらの信号を解釈するために、重力波ハンターはそれらをコンピューターシミュレーションと比較します。現在、モーガンタウンにあるウェスト バージニア大学の理論天体物理学者であるショーン マクウィリアムズは、合体する 2 つのブラック ホールによって生成される信号または波形の正確な数式を計算しました。
「これは大きな前進です」と、ボーズマンにあるモンタナ州立大学の重力波天文学者であるニール・コーニッシュは言います。 「分析を行うためのより正確な波形が可能になります。しかし、ブラック ホールの合体で何が起こっているかについて、より多くの洞察も得られます。」
1916 年、アインシュタインは、2 つの星が互いの軌道を周回するときに重力波を放射すると予測しましたが、その波は微弱すぎて検出できないと考えていました。 2015 年、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) の物理学者は、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で巨大な光学機器を使用して、13 億光年離れた場所で合体した 2 つのブラック ホールからの波のバーストを発見しました。 2017 年 8 月、イタリアのピサ近郊にある乙女座検出器が調査に参加し、空での事象の発生源を三角測量するコラボレーションが可能になりました。
2 つのブラック ホールがらせん状に接近するにつれて、空間に波紋が発生し、速度が上がります。波の強度は、2 つの天体が衝突するときにピークに達し、最終的に合体したブラック ホールがうねり、落ち着くときに次第に弱まります。信号を解読し、ブラック ホールの質量やその他のパラメーターを決定するために、科学者はそれをシミュレートされた信号のカタログと比較します。これは、問題の複雑さのために彼らが採用した手法です。
一般相対性理論によれば、質量とエネルギーが時空をゆがめると重力が発生します。そしてブラックホールは、巨大な星が極小点に崩壊したときに残される超強力な重力場です.そのため、2 つのブラック ホールが一緒に渦を巻くと、ワーピングがワーピングを引き起こし、数学が「非線形」になり、扱いにくくなります。
または非常に多くの科学者が仮定しました。 McWilliams は、Physical Review Letters の印刷中の論文で報告しているように、最終的に信号を数学的に計算する方法を見つけたと言います。 .
計算には、ブラック ホールの中心からの特別な距離が含まれます。有名なことに、ブラック ホールが事象の地平線と呼ばれる特徴的な距離よりも近づくと、ブラック ホールから逃れることはできません。事象の地平線の約 1.5 倍の距離では、ブラック ホールの重力によって通過する光が円軌道に曲げられ、「光の輪」が定義されます。事象の地平線の約 3 倍の距離は、巨大な天体が円軌道を維持し、渦巻くことができない限界を示します。これは、最内安定円軌道 (ISCO) と呼ばれるしきい値です。
ブラック ホールの合体から正確な波形を計算するこれまでの試みは、標準的な数学的変換に依存しており、軌道を回る 2 つのブラック ホールの問題を、じょうご型のエネルギー ランドスケープで渦巻く単一の物体の 1 つに変えていました。しかし、ISCO 内では、物体のらせん運動が停止し、研究者は数値シミュレーションでその軌道を修正する必要があります。 McWilliams は、合体した最後のブラック ホールにスキップすることで、この問題を回避できることに気付きました。次に、彼は一般相対性理論を使用して、小さな試験質量が最終的なブラック ホールにどのように渦巻いて摂動するかを計算し、ISCO から内部への放射信号を計算できるようにしました。
テスト粒子が光のリングに到達すると、その軌跡を追跡することは数学的に支持できなくなります。しかし、McWilliams は、単純な理由でそこの物理学を無視できると言います。それは、光の環内のすべての時空の攪拌は、拡散する重力波に影響を与えるために逃げることができないということです。基本的に、ブラック ホール自体がすべての厄介な非線形性を丸呑みします。 McWilliams は、シミュレーションと完全に一致する一対の公式を提供しています。 「正直に言うと、これが数値相対論の結果とどれほどよく一致するかについては、かなり驚きました」と彼は言います。
これらの公式は、特にブラック ホールが純粋な重力エネルギーでできており、邪魔になる厄介な物質がない天体であるため、一般相対性理論のテストで役立つ可能性があると McWilliams 氏は言います。 LIGO と Virgo の観測により、一般相対性理論の正確性が前例のないレベルに達していることが確認されていますが、研究者は機器の感度を磨くにつれて、さらに推し進めることができるはずです。 McWilliams 氏によると、一般相対性理論から波形をより正確に予測する必要があり、正確な式は数値シミュレーションよりも正確であるはずです。
ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学 (MIT) の重力波理論家で LIGO チームのメンバーであるライオネル・ロンドンは、あまり確信が持てません。 McWilliams 氏は、ISCO の外で渦巻く様子をモデル化するためにシミュレーションに依拠する必要があり、信号のその部分が最初のブラック ホールの質量を決定する鍵となる、と彼は述べています。計算は特定の単純化の仮定にも依存していますが、それらに伴う不確実性の推定値は提供していません、と彼は言います。数式は、問題の正確な解決策というよりも、信号がどのように見えるかについての知識に基づいた推測である「仮説」に近いと、London 氏は言います。
コーニッシュは、数値相対性理論を置き換えるのは時期尚早であることに同意します。それでも、この公式は有用であり、ブラック ホールの合体が予想よりも単純に見える理由を説明するように物理学者を駆り立てるはずだと彼は言います。 「もっと学ぶべきことがあります。」
それまでの間、LIGO と Virgo の研究者には信号が不足することはありません。 3 回目の観測の最初の 1 か月の間に、彼らは 5 つの新しい候補イベントを検出しました。これには、3 つのブラック ホールの合体、2 回目の中性子星の合体、および先週発見されたブラック ホールと中性子星の合体の可能性が含まれます。混合合併は、そのようなことがどのくらいの頻度で発生するかについての正確な見積もりさえないため、科学者にとって別の宝石になるでしょう.パサデナにあるカリフォルニア工科大学の物理学者で LIGO チームのメンバーである Jessica McIver は、「これは非常に興味深い天体物理学的オブジェクトであるため、多くの興奮を引き起こしています。これは当然のことだと思います」と述べています。
それでも、食欲をそそる信号は比較的弱いです。研究者は、ランダム ノイズが約 20 か月に 1 回、同様のスプリアス信号を生成するはずであり、それが地球の振動に起因する可能性が 14% あると推定しています。 「『これにコーヒー、車、家のどれを賭けますか?』と聞かれたら?」私は、「きっと あなたの 物理学者で MIT の LIGO メンバーである Salvatore Vitale は言います。想定される混合合併のケースを突き止めるには、天文学者はそこから光と電磁波を見つけなければならないでしょう。
