遠い宇宙のささやきに耳を傾ける

次々と天体望遠鏡を通して観察していくうちに、私たちの頭上にある天の川が宇宙のすべてではないことが分かってきました。そこで、科学者たちは時間の中心に「石」を投げ込み、現れた「波紋」が重力波だったのです。それは、宇宙の暗い深淵に隠された謎を解明するのに役立ちます。

最近、中国科学院国立天文台などの科学研究者で構成された中国パルサータイミングアレイ研究チームは、「中国天眼」FASTを使用して、ナノヘルツ重力波の存在を示す重要な証拠を検出しました。関連する研究成果は北京時間6月29日に学術誌「天文学と天体物理学研究」にオンライン掲載された。

中国科学院院士で同院国立天文台台長の張進氏は、ナノヘルツ重力波を利用することで、ブラックホールや超大質量ブラックホールなど宇宙の超大質量天体、銀河の形成、進化、合体、さらには宇宙の初期構造など天体物理学の主要な科学的問題を研究できると指摘した。

ナノヘルツ重力波を検出するのはどれくらい難しいのでしょうか?

宇宙の約 95% は永遠に「暗闇」であることがわかっています。重力波観測を利用することで、これらの暗黒物質と暗黒エネルギーの痕跡を捉えることができます。

1916年、アインシュタインは一般相対性理論に基づいて重力波の存在を予測しました。 「重力波は非常に弱いため、アインシュタイン自身も人間がそれを検出できるとは信じていなかった。」論文の筆頭著者で、国立天文台の特別研究助手である徐恒氏は、ポピュラーサイエンスタイムズに対し、重力波によって引き起こされる検出可能な影響は非常に弱いものの、2015年9月14日に米国のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）が重力波の初観測を発表したと語った。

「重力波は物質の加速運動によって発生します。重力波を利用すると、宇宙の巨大な物質の動きを追跡することができます。」徐恒氏はさらに、時空は曲げられる可能性があると説明した。物体の質量によって、その周囲の時空に曲率が生じます。質量が大きくなればなるほど、時空の曲率は大きくなります。

広大な宇宙では、物質の加速運動がある限り、重力放射が存在します。徐恒氏は、重力波の周波数範囲はキロヘルツから10-16Hzまでと非常に広く、異なる周波数帯の重力波の検出方法は異なるが、これは重力波検出器が常に特定の周波数範囲内の重力波にのみ感知し、互いに置き換えることができないためだと述べた。

「高周波重力波（100ヘルツ帯）の検出器は主にLIGOなどの地上レーザー干渉計で測定され、低周波重力波（ミリヘルツ帯）は主に欧州のLISAプロジェクトや中国の太極・天琴検出器などの宇宙レーザー干渉計で検出される」と徐恒氏は紹介した。

より質量の大きい物体はより低い周波数の重力波を生成します。宇宙で最も質量の大きい天体である銀河の中心にある超大質量連星ブラックホール系の回転によって発生する重力波は、主にナノヘルツの周波数帯に集中しています。

「ナノヘルツ帯の重力波は、周期が数年から数十年、波長が数十光年である。これまでのところ、唯一知られている検出手段は、電波望遠鏡、すなわちパルサータイミングアレイを通じて、高いタイミング精度で複数のパルサーを監視することである」と徐恒氏は述べた。

つまり、ナノヘルツ重力波の検出は、物理的スケールと時間スケールの両方において「大規模」であり、容易な作業ではありません。

なぜパルサーを使うのですか?

ナノヘルツほどの低い周波数の重力波を検出するのは非常に難しいため、科学者は信頼できる「助手」を必要としており、パルサーに狙いを定めている。

パルサーはコンパクトな天体の一種で、その放射線ビームが周期的かつ急速に地球を横切り、地球上の人間が周期的なパルスを目にすることからその名が付けられました。パルサーの利点は、回転が非常に安定しており、一定の間隔でパルス信号を送信することです。他の要因の影響を受けなければ、地球上でこの信号を安定して受信することができます。

徐恒氏は、ナノヘルツ重力波を検出するためにパルサーの距離は必要なく、重力波を他のノイズと区別するためにはパルサーの数が多ければ多いほど良いと付け加えた。

2016年6月、中国科学院はナノヘルツ重力波に関する予備研究を開始し、北京大学、新疆天文台、雲南天文台、上海天文台、国家時間サービスセンター、広州大学などの関連部門と協力して中国パルサータイミングアレイ（CPTA）チームを設立しました。

FASTは現在、世界最大かつ最も感度の高い単一開口電波望遠鏡であり、パルサーの探索に最も効率的な電波望遠鏡でもあります。現在までに、740 個を超える新しいパルサーが発見されています。

FAST の検出方法は、LIGO に代表される他の望遠鏡と比べてどう違うのでしょうか?徐恒氏は、2つの検出の原理と性質に違いはないと説明した。どちらも、伝播過程における電磁波信号のわずかな変化を監視することで重力波の存在を判断します。 Xu Heng 氏は、それぞれのパルサーが地上のレーザー干渉計の反射鏡であるという例え話をしました。 「もちろん、その後のデータ処理や検出の統計手法には多少の違いがあるでしょう。」

単一の重力波信号を検出する

宇宙の非発光物質を直接検出する手段として、重力波の検出は天文学者の長年の追求であり、特に宇宙のこれらの低い「音」を継続的に「監視」することでブラックホールや初期宇宙の出現を明らかにしたいと望まれてきました。

「ナノヘルツ重力波の物理的発生源などの情報を得るには、ナノヘルツ重力波のスペクトルを正確に測定する必要がありますが、これはデータの時間範囲に大きく依存します。時間範囲が広いほど、ナノヘルツ重力波のスペクトルをより正確に測定できます。」徐恒氏は、今後チームは当初の計画通り観測を継続し、長周期データを蓄積し、ナノヘルツ重力波の検出精度を継続的に高めていく必要があると明らかにした。

徐恒氏は、現在検出されているのは実際には無数のナノヘルツ重力波が重なった背景であり、これが第一歩であると述べた。チームの次の目標は、単一ナノヘルツの重力波信号を検出することです。 「こうすることで、銀河の中心にあるどの超大質量連星ブラックホールが重力波を生成したかがわかり、ガンマ線から電波まであらゆる波長の望遠鏡が役割を果たすことになる。」

さらに、ナノヘルツ重力波スペクトルの情報を正確に制限し、ナノヘルツ重力波の物理的な発生源を特定したり、正確な制限を加えたりすることも非常に重要です。 「この周波数帯には、銀河中心の超大質量連星ブラックホール系の回転によって生成された重力波に加え、初期宇宙からの重力波や宇宙ひもなどの奇妙な物体によって生成された重力波も残っている」と徐恒氏は述べた。 「しかし、現段階では区別できません。」

今日、私たちは宇宙が重力波の背景に浸っており、長期間にわたる低周波重力波があらゆる場所で振動し、多くの未知の宇宙的出来事への窓を開いていることを知っています。