宇宙の低音：天の川銀河の最も神秘的な天体の集合体

上記のアーティストのコンセプトでは、時空構造を表すグリッド上に星、ブラックホール、星雲が広がっています。この構造の波紋は重力波と呼ばれます。

NANOGrav 共同研究チームは、太陽の質量の数十億倍のブラックホールによって生成された重力波の証拠を検出しました。画像クレジット: NANOGrav Collaboration;オーロール・シモネット

天の川銀河の中心には、太陽400万個分の質量を持つ超大質量ブラックホールがあり、地球から約26,000光年離れています。それはいて座A（略称SgrA）と呼ばれ、天の川銀河で最も神秘的な天体の一つです。

ブラックホールは極めて強い重力を持つ天体であるため、周囲の物質や光を飲み込み、脱出不可能にしてしまうことがあります。しかし、ブラックホールは単独ではありません。他のブラックホールとも相互作用します。

2 つのブラックホールが合体すると、2 つの岩を水面に落としたときに波紋が形成されるのと同じように、重力波と呼ばれる現象が発生します。重力波は、天体が宇宙空間で回転したり衝突したりするときに生じる時空の歪みです。それらは光の進路を変え、遠くの星をちらつかせたり暗くしたりします。

重力波はブラックホールや宇宙の謎を解明するのに役立ちますが、弱く、距離とともに減衰するため、検出するのは非常に困難です。現在、科学者たちは地上と宇宙の検出器を使用して、さまざまな周波数と発生源からの重力波信号を捕捉しています。

今年7月、北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）と呼ばれる国際協力プロジェクトが大きな発見を発表しました。長波長の重力波背景が宇宙のいたるところに存在するという初めての証拠を発見したのです。この重力波背景は、太陽の数十億倍もの質量を持つ超大質量ブラックホールが、合体するまで何億年もの間互いの周りを回ることで生成されます。

この信号は宇宙のベースのようなもので、時空を超えた超大質量ブラックホールが奏でるアンサンブル音楽を聴くことができます。

重力波の存在は、1世紀前にアルバート・アインシュタインによって予言されていました。彼の一般相対性理論は、物質とエネルギーが時空を曲げて、重力として知られる現象を生み出す仕組みを説明しました。

しかし、人類が初めて重力波を検出したのは2015年のことでした。この歴史的な発見は、米国のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）によってなされた。 LIGO の 2 つの検出器は、2 つのブラックホールの合体から発生する 1 秒未満の極めて短い重力波信号を捉えました。 13億年もの長い旅を経て、2015年9月14日に地球に到着しました。それ以来、LIGOとヨーロッパのVirgo重力波検出器は、同様の信号をいくつか検出したほか、2つの中性子星の合体による重力波信号も検出している。

この大発見の主役であるNANOGravは、パルサータイミングアレイ（PTA）を使用する、米国とカナダの190人以上の科学者で構成される国際協力プロジェクトです。

パルサーは、1秒間に数百回回転し、灯台のように電波を発する奇妙でコンパクトな星です。これらのパルスは非常に安定しているため、時空の伸縮によって生じるタイミングのわずかな変化を捉えることができます。パルサーの助けにより、科学者は数十ナノ秒単位で時間を予測することができ、場合によっては原子時計と同じ精度になります。複数のパルサーを監視し、それらの時間変化のパターンが同じであること、つまりモデル予測と実際の観測値の間にタイミングの残差があることがわかったら、重力波の存在を推測できます。

現在、宇宙重力波背景を検出する主要なパルサータイミングアレイプロジェクトが 3 つあります。 NANOGrav に加えて、ヨーロッパパルサータイミングアレイ (EPTA) とオーストラリアパークスパルサータイミングアレイ (PPTA) があります。最近では、中国パルサータイミングアレイ、インドパルサータイミングアレイ (InPTA)、南アフリカパルサータイミングアレイ (SAPTA) などの新しい部隊が追加されました。これらのプロジェクトでは、米国ニューメキシコ州の超大型干渉電波望遠鏡（VLA）、オーストラリアのニューサウスウェールズ州のパークス天文台、中国貴州省の500メートル口径球面望遠鏡（FAST）など、世界最大かつ最も感度の高い電波望遠鏡が使用されています。これらの望遠鏡は数週間ごとに100個以上のパルサーを観測し、それらが電波パルスを発する正確な時刻を記録します。

NANOGrav は、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡、プエルトリコのアレシボ天文台、超大型干渉電波望遠鏡など、複数の電波望遠鏡から 68 ミリ秒のパルサーを観測し、15 年間にわたって高精度のデータを収集してきました。

これは人類が低周波重力波背景を検出した初めてのケースであり、超大質量ブラックホールの合体によって生成された重力波信号が検出された初めてのケースであるため、画期的な成果です。

LIGO によって検出された重力波は、NANOGrav によって記録されたものよりもはるかに高い周波数を持っています (NANOGrav の名前は、ナノヘルツ範囲、つまり数年に 1 サイクルの低周波重力波を検出することから付けられています)。高周波重力波は、衝突する前の最後の数秒間に互いの周りを高速で周回する小さなブラックホールのペアから発生する。一方、低周波重力波は、太陽の何十億倍もの質量を持つ銀河の中心にある巨大なブラックホールによって生成されると考えられている。これらのブラックホールはゆっくりと周回し、合体するまでに何百万年もかかる。

新たな研究で、科学者たちは、ナノグラヴが宇宙全体で合体している多数の超大質量ブラックホールのペアから発せられる重力波の集合的な「ハム音」を感知したと考えている。 「この信号は、LIGO が検出する大声というよりも、むしろ背景雑音のようなものだと人々は考えています」と、カリフォルニア工科大学 (Caltech) の物理学助教授で NANOGrav チームのメンバーであるカテリーナ・チャツィオアヌー氏は説明する。

低周波重力波背景は、ブラックホールや宇宙の謎をより深く理解するのに役立つため重要です。低周波重力波背景により、超大質量ブラックホールの合体の頻度と特徴を知ることができ、これは天の川銀河と宇宙の進化を研究する上で非常に重要です。

科学者たちは、超大質量ブラックホールは天の川銀河の形成と進化の過程で他のブラックホールを継続的に飲み込み、合体することで成長し、天の川銀河の構造とダイナミクスに重要な影響を及ぼしている可能性があると考えています。低周波重力波背景を検出することで、超大質量ブラックホールの合体の速度と分布を推定し、天の川銀河と宇宙の歴史と未来を推測することができます。

低周波重力波背景を検出することで、一般相対性理論やその他の理論の予測がさまざまなスケールや条件で一貫しているかどうかをテストし、新しい物理現象や法則の可能性を発見することができます。

私たちの天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホール、いて座A*も、他のブラックホールと衝突する軌道上にあるか、将来衝突する可能性があり、衝突するとブラックホールの質量と形状が変化し、銀河の進化に影響を与えるだろう。

NANOGrav の最新の研究結果を詳述した一連の論文が、The Astrophysical Journal Letters に掲載されることが承認されました。重力波の証拠を記述した論文は「NANOGrav 15年データセット：重力波背景の証拠」と題され、現在ウィスコンシン大学ミルウォーキー校に在籍するサラ・ヴィーゲランド氏と現在ヴァンダービルト大学に在籍するスティーブン・テイラー氏の2人の元JPL博士研究員が共同で執筆した。