地球上の 2 つの強力な科学ツールが、2 つのブラック ホールの衝突によって引き起こされる時空間の構造の波紋を直接検出したのは、史上 2 度目です。
2015 年 12 月 26 日、ワシントンとルイジアナにあるレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) を構成する 2 つの同一の機器が、謎のブラック ホールの合体衝突による信号を記録しました。大衝突の信号が地球に届くまでに14億年かかった。
LIGO は、2015 年 9 月 14 日にブラック ホールの合体によって生成された最初の時空の波紋を聞き、科学者が探索できる物理学の新たな領域を切り開きました。
時空の波紋として知られる重力波、極端な宇宙事象の際に生成されます。
この画像は、衝突する直前の 2 つのブラック ホールを示しています。 クレジット: S. Ossokine /A. Buonanno、マックス・T・ディートリッヒ、R・ハースマックス・プランク研究所
「重力波天文学の時代が始まった」とLIGOの科学者ガブリエラ・ゴンサレス氏は新発見を発表した記者会見で述べた。
時空をトランポリンとして考えてみましょう。惑星、星、ブラックホールなどの非常に巨大な物体はすべて、その物質をわずかに押し下げ、地球上で私たちが重力として感じるものを作り出します。
ブラック ホールや中性子星のような 2 つの巨大な天体が合体したり、超新星が爆発したりすると、文字通り時空の構造に波が発生し、それが宇宙に伝播する可能性があります。
宇宙衝突による鳴き声
それらの波の一部は地球を囲む時空に到達する可能性があり、LIGO はそこでそれらを検出できます。
おそらく、これらのブラック ホールから生成される信号について考える最も簡単な方法の 1 つは、音波の観点から考えることです。
2 つのブラック ホールがどんどん近づくにつれて、信号のディップとピークがより顕著になり、最終的には高周波の音の爆発のように見えます。合体するときに「鳴く」。このため、科学者たちはブラックホールの合体信号を実際の音に変換しました。
「これは私たちが重力の音楽と呼ぶものです」とゴンザレスは語った。記者会見中、科学者たちは宇宙の音楽はジャズやクラシック音楽に似ていると冗談を言った。
マッシュ可能な光の速度
天体物理学における「大変革」
12 月の重力波信号は、合体直前の 2 つのブラックホールによって作成されました。衝突前の物体は太陽の8倍と14倍の質量であり、科学者らは2つのブラックホールが合体後、太陽の約21倍の質量を持つ1つのブラックホールを形成したと考えている。
比較すると、9月のイベントを引き起こしたブラックホールは太陽の約30倍の質量でした。
また、LIGOが2015年10月に別のイベントを検出した可能性もあるが、そのイベントからの信号はより不確実であると研究者らは述べている。
これら 2 つの検出は、ブラック ホール バイナリが宇宙で比較的一般的であることを示しています。
「新しい信号（または新しい信号のバッチ）の重要性は、物理発見装置としての LIGO から望遠鏡としての LIGO への移行であると思います。そして、それは非常にエキサイティングなことです。これは天文学のまったく新しい分野の始まりです。 」とLIGOとは無関係の天体物理学者ケイティ・マック氏は発表に先立って電子メールで述べた。
「1 回の検出は概念の実証であり、理論の勝利であり、ブラック ホールとその合体に関するこれまでの理論物理学の裏付けでした。しかし、複数の検出は、合体するブラック ホールと他のコンパクトな天体の集団全体を研究できることを意味します。統計ができれば、銀河の存在量や割合を知ることができ、銀河の成長をより深く理解できるようになります。」
科学者たちは、宇宙の地球の一部を通過するこれらの波を検出するためにLIGOを構築し、その後アップグレードしました。そしてこれまでのところ、天文台は素晴らしい仕事をしています。
アルバート・アインシュタインはその存在を 100 年前に理論化しましたが、ブラックホールの合体が最初に検出されたことは、科学者が重力波を初めて観測したことを示しました。
「私たちは現在、2つのブラックホールの合体が近くの宇宙では一般的であるという確信をさらに深めています」とハンナ氏は語った。
「重力波を検出できるようになったことで、重力波は銀河系に関する新たな情報の驚異的な情報源となり、宇宙に関する発見のための全く新しい経路となるでしょう。」
LIGOが再び攻撃
物理学研究におけるこの種の革命は、まさに科学者たちが LIGO を構築したときに期待していたことです。
2 つの L 字型 LIGO 施設は、時空のわずかな変化さえも検出できるように設計されています。 L の各アームには、L の曲がり部分で分割されたレーザーが通っています。
各アームの端にあるミラーがレーザーを反射して曲がり角に戻します。 L の各アームは同じ長さであるため、検出器の各側のレーザーは正確に同時に曲がり部に戻る必要があります。
しかし、重力波が地球の宇宙の一部を通過すると、重力波が宇宙のどの部分から来るかに応じて、アームの 1 つが伸縮することになります。これは、レーザーの 2 つの半分が同時に中心に戻らないことを意味します。
クレジット: ボブ・アル・グリーン/Mashable
科学者たちは、両方の施設が重力波信号を確実に検出できるようにするために 2 つの検出器を構築しましたが、これまでのところ、それは非常に効果的です。
カリフォルニア研究所LIGO研究所の副所長、アルバート・ラザリーニ氏は、「最初の観測から4か月の間に2つの強いイベントが検出されたことで、将来どのくらいの頻度で重力波が聞こえるかについて予測を立て始めることができる」と述べた。とテクノロジー担当者は声明で述べた。
「LIGOは、私たちの宇宙で最も暗く、しかし最もエネルギーに満ちた出来事を観察する新しい方法をもたらしてくれます。」
新しい重力波の発見を詳述した研究が雑誌に掲載されることが受理されました物理的なレビューレター。