時空の波紋が宇宙科学の未来を運ぶ

数十億年前、2つのブラックホールが激しい爆発で合体し、宇宙の構造が波紋を広げました。

この衝突によって生じた宇宙の波紋 - 重力波として知られる - は、宇宙を誕生させたブラックホールに関する情報を伴い、あらゆる方向に広く広がりました。

2015 年 9 月、その情報が地球に届きました。これらは私たちの惑星に到達した最初の重力波ではありませんでしたが、私たちが観測できた最初のものでした。

レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) として知られる 2 つの強力なツールは、2 つのブラック ホールから発信される重力波を直接観測することができ、科学者が最も極端なブラック ホールの内部構造を研究する新しい方法を開きました。宇宙にある物体。

これまで、宇宙を研究する科学者は、さまざまな波長の光を使って宇宙を見つめることに限定されていました。

ブラックホールの衝突を描いたアーティストのイラスト。 クレジット: LIGO

この種の調査は、星、銀河、惑星、その他の天体がどのように機能するかについての私たちの理解を完全に変えましたが、ブラックホールやその他の珍しい天体の内部生活を理解しようとするとき、私たちは暗闇の中に残されました。

しかし、今ではそのすべてが変わりつつあります。

そう遠くない将来、科学者たちは爆発する星の中心を覗き込み、中性子星の高温高圧の中心内で物質がどのように変化するかを解明し、ブラックホールが実際に何であるかをよりよく特徴付けることができるようになるはずだ。それはすべて、観測可能な宇宙の果てに送信された、かろうじて検出できる程度の波のおかげです。

重力波科学が本格的に始まる現在、天文学者であることは、「ガリレオが最初の望遠鏡を組み立てたときにその場にいたのと同じようなものだ」とLIGO関連の研究に携わる科学者のエド・バーガー氏はインタビューで語った。

ライトが点灯する

天文学の歴史全体は、光を使って宇宙を研究することにかかってきましたが、現在、私たちは宇宙をのぞく全く異なる方法を手に入れています。私たちが知っている天文学が新しい意味を獲得したかのようです。

天文学者は、光を発しないブラックホールのようなものを直接見ようとする代わりに、「鳴く重力波を作成した物体の質量、大きさ、寿命について詳しく学ぶことができます。

「...重力波を使えば、視界を遮る大量の物質に覆われた環境を調査できる」とハーバード大学の天文学者アヴィ・ローブ氏は電子メールで述べた。

「例えば、大質量星が崩壊したり、中性子星が恒星質量ブラックホールに飲み込まれたり、2つの銀河の合体中にガスに囲まれながら2つの大質量ブラックホールが合体したりする場合、私たちはその中心を簡単に探査することはできません。それは物質のベールの後ろに隠されているため、この行動は重要です」とローブ氏は付け加えた。

「しかし、重力波は物質を容易に貫通し、そのようなエンジンの内部動作を明らかにすることができます。」

クレジット: ボブ・アルグリーン/マッシャブル

重力波が地球の宇宙空間を移動するのを感じたり見ることはできませんが、それでも私たちに影響を与えます。

実際、9月に発見された信号は、地球上のすべての物質(私たちの体のすべての物質を含む)を、陽子のほんの一部だけ歪ませました。

マッシュ可能な光の速度

そしてそれがLIGOが測定しなければならなかったことでした。両方の天文台(1つはルイジアナに、もう1つはワシントンにある)は、重力波が地球の一部の宇宙空間を通過する瞬間を同時に記録した。

2 つの「L」字型の天文台には両方とも、L 字型の各アームを通ってアームの端にある鏡に到達するレーザーが装備されています。重力波が地球を通過しない場合、レーザーはそれぞれ正確に同時に中心に跳ね返るはずですが、もし重力波が通過した場合、そのタイミングはずれてしまいます。

これは、波が通過するときにレーザーの周囲の物質がわずかに伸び、アームの長さが変化しますが、光自体には影響を与えないためです。

「LIGOが波を検出するためにしなければならなかったのは、単一の陽子よりも小さい(重力波の通過による)鏡の動きを測定することだった」とLIGOの研究者ネルギス・マヴァルバラ氏は述べた。

「想像してみてください。鏡を 4 km (2.5 マイル) 離して置き、陽子のサイズの 1,000 分の 1 の距離で鏡が互いに近づいたり遠ざかったりするのを観察してください。」

すでに発見が続々と入ってきている

科学者たちはすでに、9月に発見された重力波によって地球にもたらされたデータを分析しており、これまでにない波紋を生み出したブラックホールの特徴を明らかにしている。

2016年6月に発表された研究重力波を引き起こした2つのブラックホールが、実際には互いに周回する巨大な星として生命を始めたことを発見した。

最終的に、互いの周りを周回する何百万年もの後、星は崩壊し、太陽の約30倍の質量の2つのブラックホールを形成しました。そしてある日、それらのブラックホールが合体し、ベッドシーツの上で回転するボウリングのボールのように、時空の構造を波立たせました。

この研究の著者らは、LIGOが収集したデータを使用して、ブラックホール合体から数十億年後に地球上で検出された重力波を生じさせたであろう宇宙のコンピューターモデルを作成した。

「ブラックホールは怪物であり、その始祖の星が宇宙で最も明るく、最も質量があったであろうことを結果は示している」と物理学者のJ.J.エルドリッジは当時の研究に付随する論文の中で書いている。

中性子星と新しい物質の状態

LIGO は最終的には、ブラック ホールの秘密の生活を明らかにする以上のことを行うはずです。

将来、天体物理学者は、重力波ツールを使用して、中性子星として知られる非常に神秘的な種類の星の中心部の非常に高温で高圧の中で何が起こっているのかを解明したいと考えています。

「測定したいもののための機器を構築すると、予期していなかったものが見えてきます。」

中性子星は太陽よりも重いですが、ボストン市ほどの面積にぎっしりと詰まっています。これらの種類の星は、太陽の約 4 ~ 8 倍の大きさの星が死ぬときに形成されます。

これらの星の中心部は実際には非常に高密度で高圧であるため、分子をワープさせて、地球上の実験室で観察できるものとはまったく異なる物質の状態になる可能性があります。

「もちろん、この場合、(中性子星内の物質は)私たち自身の個人的な経験からはよくわからない状態で存在します。なぜなら、私たちはそのような種類の圧力を目撃したことがないからです」とバーガー氏は述べた。

現時点で、ライゴ中性子星の合体はブラックホールの衝突よりも若干エネルギーが低いため、簡単に検出することはできないが、将来的には感度が向上し、高密度の天体の中心部を明らかにできるようになるはずだ。

重力波のシミュレーション。 クレジット: NASA/C.ヘンツェ

重力波科学には、宇宙の光を調べることですでに得られている科学の豊かなタペストリーをさらに加える能力もあります。

一部の天文学者はすでに重力波の光源を特定して、ブラックホールの合体に伴う何らかの光信号があるかどうかを確認しようとしている。

現時点では、LIGO は信号が空のどこから来ているかを正確に特定するのがあまり得意ではないため、将来的には他の技術がさらに開発されてその課題に対処し、科学者が重力波の発生源に関する正確なデータを収集できるようになる可能性があります。とLIGOのマヴァルバラ氏は語った。

そしていつの日か、LIGO とその周辺で生み出される多くの新技術は、科学者たちが今では想像すらできないような新しい信号を聞くことさえあるかもしれません。

「測定したいもののための機器を構築すると、予期していなかったものが見えてきます」とマヴァルバラ氏は語った。

「それがこの楽器の本当の約束だと思います。」

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ボーナス: これらの科学者はアインシュタインが間違っていることを証明しています

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