Einstein was right: Scientists detect gravitational waves for the first time

アインシュタインは正しかった

重力波が初めて検出され、物理学の新時代の到来を告げました。

ミリアム・クレイマー

科学者たちは、時空の構造に証拠となる波紋を初めて発見し、アルバート・アインシュタインの最も奇妙でありながら最もエレガントな予測の1つを裏付けた。木曜日に発表されたこの発見は、アインシュタインが最初に重力波を理論化してから100年後に行われた。これは、世界中の物理学者にとって、研究と発見の新時代の到来を告げるものとなるでしょう。最近アップグレードされたレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) (ワシントンとルイジアナにある 2 つの同一の天文台のセット) で研究している研究者らは、彼らが直接約13億年前に衝突した2つのブラックホールによって生み出された重力波として知られる時空の波紋を観察した。研究者らによると、各ブラックホールの質量は太陽の30倍だった。「私たちは重力波を検出した。私たちはそれをやった」とワシントンDCでの記者会見で、LIGOのエグゼクティブディレクターであるカリフォルニア工科大学のデビッド・ライツェ氏は述べた。科学者らによると、2015年9月14日に発見されて以来、科学者たちはその発見が正確であることを確認するために評価を続けている。 LIGOの共同創設者であるキップ・ソーン氏は、「海が波が打ち寄せる嵐で荒れ狂うのを見たことがなかった。2015年9月14日にすべてが変わった」と語った。

重力波は、2 つのブラック ホール、2 つの中性子星、またはブラック ホールと中性子星が衝突するときに発生し、その過程で周囲の時空構造を歪めます。それらの波紋は宇宙に広がり、地球を含む他の天体の周囲で時空を歪めます。この新しい発見は、ブラックホールが実際に存在することも裏付けています。奇妙に聞こえるかもしれないが、これまで科学者らはこの巨大天体の存在を示す状況証拠しか得ていなかった 研究者らは何年にもわたってブラックホールの周囲の明るい発光を観察してきたが、これは謎の天体を直接確認した初めてのことである。 LIGOの科学者シャボルクス・マルカ氏は発表に先立ち、「重力波が発見されれば、すべてが変わるだろう。重力波の発見は何かを発見するだけでなく、何百万もの新たな発見への扉を開くことになるからだ」と述べた。
科学者らは木曜日、彼らの発見に関する最初の研究を査読誌に発表した。物理的なレビューレター。 15カ国の90以上の機関から合計1,004人がこの研究の功績を共有した。この新しい発見はまた、100年前に一般相対性理論の一部としてアインシュタインが提唱した最も奇妙な予測の1つを裏付けるものである。一般相対性理論は2つの異なる理解方法を組み合わせたものである宇宙の仕組み。アインシュタインの特殊相対性理論は、質量とエネルギーがどのように関係しているかを示し、一方、ニュートンの万有引力の法則は、空間内の物体がどのように互いに引き付けられるかを説明しました。アインシュタインは一般相対性理論を開発した後、新たに統一された理論の文脈内では時空が歪む可能性があるため、2 つの非常に重い物体が衝突すると重力波が存在するはずだと主張しました。

ただし、これは一般相対性理論の最後のテストではありません。科学者たちは、量子論と一般相対性理論をどのように調和させるかまだ確信が持てず、アインシュタインの理論がまだ発見されていない別の方法で破綻する可能性もある。トランポリンの網のように伸びてピンと張ったウェブのような時空を想像してみてください。星、ブラック ホール、惑星などの巨大な物体をその時空構造上に置くと、時空構造が引き伸ばされ、歪みます。その歪みが、私たちが重力として感じる力を生み出します。「私たちは空間を物や物として考えていませんが、宇宙で起こるすべてのことは、時空と呼ばれるこの枠組みの中で起こっています」と天体物理学者のケイティ・マック氏は言う。 LIGOとは無関係である彼はインタビューでこう語った。伸びる可能性があります。それは圧迫することができます。波が伝播する可能性があります。考えるととても奇妙なことですが、宇宙で起こるすべてのこと、ある場所から別の場所へ移動する少しの光や、動き回る質量などは、時空の中で起こっており、時空に影響を与え、時空の影響を受ける。」

太陽が太陽系の惑星の軌道に影響を与えるのと同じように、さまざまな物体の周りの時空も、近くにある他の巨大な宇宙物体によって変化する可能性があります。
ブラック ホールや中性子星が衝突すると、時空に波紋が生じ、それが宇宙に送られます。これらの波がどのように見えるかをモデル化すると、それらが音波と同様に動作し、上下に振動し、谷や山ができることがわかります。衝突する 2 つのオブジェクトが互いに近づくにつれて、山と谷は高くなったり低くなったり、相互に近づいたりします。この動きにより、最終的に「チャープ」として知られる音が発生し、2つの物体が合体する瞬間に達する高周波の爆発のように見える、とマック氏は述べた。一部の科学者はそれらの「波形」を実際の音に変換して実証しており、木曜日の発表を見越して、投稿された動画もある鳴き声を真似しようとしている自分自身に。

これらの波紋は宇宙で最も極端な衝突によって生成されますが、最も高感度の機器でのみ測定できます。 LIGO のようなものによる重力波検出の実現可能性を検討した最初の研究は 1970 年代に発表され、この装置は1979年に国立科学財団から資金提供された一部の人々は、これらの波を検出するのは非常に困難であり、波を検出するために必要な感度は地球上の機器では不可能であると考えていました。誤報もいくつかありました。 2014 年、BICEP2 と呼ばれる別の機器を研究している科学者たちは、彼らが考えていることを発表しました。原始重力波の発見さらなる分析の後、信号は実際には重力波の兆候を装った単なる塵であることが判明し、科学者たちが重力波の最初の直接的なヒントを発見したという期待を覆しました。波紋。

ルイジアナ州とワシントン州にある LIGO 検出器は、上から見ると 2 つの巨大な「L」のように見えます。ツイン検出器を一緒に使用すると、時空の小さな変化を見ることができます。 L の各アームは長さ 4 キロメートル、2.5 マイルで、その中を強力なレーザーが通過します。レーザーの光がアームの両端に到達すると、ミラーが光を検出器の屈曲部に向かって跳ね返します。レーザーの 2 つの半分はまったく同じ長さで、それぞれが光の速度で移動するため、同時に曲がり角に戻るはずですが、重力波が通過するとアームが合わなくなります。これは、光が正確に同時に検出器の曲がりに到達しないことを意味します。「重力波が一方の腕をわずかに (陽子の直径の約 1/1000) 伸ばし、もう一方の腕を圧縮すると、 2 つの光線が完全にお互いを差し引くことはなくなり、検出器の出力に光のパターンが生成される」と LIGO は Web サイトで述べています。科学者は、観測した信号が実際に重力波によって引き起こされたものであることを確認するために 2 つの検出器が必要です。検出器が波を捉え、相互に一致している場合、それがシステム内の単なるまぐれではなく、本物の信号である可能性が高くなります。また、この 2 つの機器を使用することで、研究者は重力波がどこにあるかの大まかな感覚を得ることができます。そもそも信号が来たのです。

LIGO が機能するのは、光の速度が信じられないほど一定であるためです。「興味深いのは、鳥肌が立ちそうになりますが、これを測定できる理由は、光の速度が非常に一定であり、空間が変化しても変化しないことです」とマック氏は言いました。 「時間は引き伸ばされている」とマックは付け加えた。「光は時空が歪んでいても気にしない。光は距離が長くても気にしません。 1999年に設置された2台の探知機は2002年から2010年まで稼働していたが、その稼働が終了して以来、機器は再設計のために停止され、最終的には最初の反復よりも少なくとも 3 倍の感度が向上しました。
この発見は、2010年以来初めての科学実験に先立って、アップグレードされたLIGOが工学的校正を受けているときに行われた。

重力波を検出することで、科学者たちは「星、中性子星、ブラックホールなど、これまで聞くことができなかったものの断末魔の叫びを聞く方法も発見するだろう」とマルカ氏は語った。他の手段では具体的に入手できないものを実際に観察します。 X線が医学をどのように変えたかのようなものです」と彼は付け加えた。科学者は今後、重力波を発したブラックホールや星についてさらに詳しく知ることができるようになるだろう。波は、それを作り出した物体がどのようなものであったかについての情報を運びます。なぜなら、科学者たちは、宇宙の衝突がどのような波紋を生み出すかを理解しているように、波の 1 つからの信号がどのようなものになるかをモデル化してきたからです。宇宙におけるこれらの波紋を明らかにすることで、ブラック ホールの数についても知ることができます。宇宙には銀河が存在すると同時に、科学者に銀河がどのように成長するかについてさらに詳しく教え、宇宙における私たちの位置についての理解を深めるのに役立ちます。

この発見は、物理学者が宇宙を探索する方法の変化も示しています。可視光、赤外、紫外の波長の光で宇宙を観察するだけでなく、重力波を調査することで、科学者は宇宙を探索して情報を得る新しい方法を手に入れることになるでしょう。「自分の感覚がすべて備わっていると想像してみてください」とマルカ氏は言う。 「しかし、あなたは耳が聞こえません、そして聴力を獲得した最初の日、あなたは新しい人生を手に入れます。まったく異なる方法で周囲を実際に観察し、感じることができたら、あなたの人生がどのように変わるか想像してみてください。これは私たちが実際に重力波で得られるものです。」LIGO 自体はまだその可能性を最大限に発揮しておらず、さらなる重力波を探し続けるにつれて感度が 3 倍高くなる予定です。 LIGOの科学者ガブリエラ・ゴンサレス氏は、「これはほんの始まりにすぎず、これから起こる多くのことのうちの最初のものだ」と語った。 「これらのシステムを検出できる検出器があり、バイナリーブラックホールが存在することがわかったので、私たちは宇宙の声に耳を傾け始めます。」