天文学最大の出来事：巨大な重力波！捕獲！

天体物理学における大発見の噂が数日間流れていたが、6月30日についに真実が明らかになった。中国の科学者を含む多国籍の科学チームが、宇宙背景重力波の証拠を発見したと発表した一連の論文を同時に発表したのだ。宇宙の秘密への新たな道が開かれました。

著名なアメリカの理論物理学者キップ・ソーン氏も記者会見に出席した。

01 重力波とは何ですか?

水中に石を投げると水の波が発生し、電子が加速すると電磁波が発生します。重力波についても同様です。重力波は、質量と重力を持つ物体が加速速度で移動するときに発生する波です。残念ながら、重力は非常に小さな力であり、地球全体の引力でもいくつかの筋肉に勝つことができないほど小さいかもしれません。テーブルから携帯電話を拾い上げることは、筋肉の勝利の証拠です。重力波は非常に小さいので、私たちの日常生活にはまったく影響を及ぼしません。

19 世紀の科学者が重力波の存在を予測したにもかかわらず、その後 100 年以上も人々がそれを検出できなかった理由は理解しにくいことではありません。重力波が間接的に観測されたのは 1974 年になってからであり、重力波の存在が直接確認されたのは 21 世紀に入ってからでした。

ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

02 重力波は古いニュースではないのですか?

2015年、人類は初めて「重力波」を直接観測した。この発見は2017年のノーベル物理学賞を受賞しました。その後、科学者たちはさらにいくつかの重力波を検出し、これもニュースになった。しかし、以前のものと今回のものには違いが 1 つあります。それらはすべて、小型および中型ブラックホールの衝突と融合によって生成された「小さな」波でした。今回は大物たちです！

実際のところ、以前は「小さかった」と言うのは完全に公平ではありません。 2015年に観測された2つのブラックホールは、太陽の36倍と29倍の大きさで、人間のスケールでは想像できないほどの大きさです。しかし、これら2つの大きな天体であっても、それらが作り出す重力波は、長さ4キロメートルの検出器を陽子の1000分の1の大きさまでほんの少しだけ拡大したり縮小したりすることしかできない。

しかし、小型および中型ブラックホールの衝突には、放出される重力波が高周波で比較的「鋭い」ため、わずか数千メートルの「小型」検出器で検出できるという利点がある。超大質量ブラックホールやビッグバンの反響など、大規模な重力変化の場合、放出される重力波は低周波で比較的「深い」ものとなり、地球全体どころか太陽系全体にも収まらないような極めて長い検出器が必要になります。

地球全体でもそ​​れを収容できないのに、人間はどうやってそれを作り出すことができるのでしょうか?実は大丈夫なんです。物理学者や天文学者はこの問題によく遭遇します。彼らは、すでに自然界に存在する超巨大物体を探査機の一部に変えることに非常に長けています。今回は、空の星を使用しました。

03 虚空の向こうの星の支配者

1967年、イギリスの天体物理学者ジョスリン・ベルはまだ大学院生でした。しかし今年、彼女は規則的な電磁波を非常に安定して放射する奇妙な天体を発見した。科学者の中には、これは宇宙人が地球に送った信号かもしれないと冗談を言う者もいた。そこで、彼女と同僚たちはこの天体に「リトル・グリーン・マン1 」という愛称を付けました。その後の研究により、これは純粋に自然現象であり、知的生命体の関与を必要としないことがすぐに証明されました。

この電磁波信号は、パルスのように一定の間隔で現れたり消えたりします。伝統的に、ラジオではこのような不連続な信号を「パルス」と呼んでおり、この信号を発する天体はパルサーと呼ばれています。パルサーの発見は後にノーベル賞を受賞しました。 （しかしベル自身は賞を受賞しなかった。これはノーベル賞の歴史において女性科学者に対する不当な扱いの有名な事例の一つである）パルサーにおける重力波バースト。

ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

パルサーは中性子星の一種、つまり「死んだ星の死体」であることが今ではわかっています。パルサーから放射される電磁波はパルス状ではなく連続的ですが、その電磁波はパルサー自身の極に向かってのみ放射されます。同時に、それは高速で回転しているので、その電磁波が地球を横切るときにのみ私たちはそれを見ることができます。地上から眺めると、海に浮かぶ灯台の光が時折点滅しているのを眺めているような感じがします。理論上は、閃光の間隔は自転の間隔と一致し、完全に規則的であるはずだが、実際には、その電磁波は地球に向かう途中でさまざまな小さな干渉を受けるため、小さな不規則性が観察されることがある。

科学者たちが注目しているのは、この法律に隠された不規則性だ。

重力波は空間自体から伝わる波です。検出器の長さを変更すると、変更されるのは検出器自体ではなく、検出器が属する空間です。パルサー信号が地球に向かう途中で重力波に遭遇すると、その移動距離自体が重力波の影響で長くなったり短くなったりし、それに応じて所要時間も変化します。この変化を観測することで、私たちとパルサーの間の空間全体を重力波検出器に変えているのです。

もちろん、これは言うは易く行うは難しです。重力波に加えて、パルサー信号に干渉する可能性のある他の多くの要因があり、それらを一つずつ排除する必要があります。さらに、重力波の影響は極めて小さく、引き起こされる周期的な変化はわずか 1 マイクロ秒である可能性があり、非常に精密な機器が必要になります。そのため、世界中の科学者たちがこの成果を得るために20年以上にわたって協力してきました。

04 重力波の揺れる海

この発見は単なる重力波現象ではなく、北米、ヨーロッパ、オーストラリア、インド、日本、そしてもちろん中国の研究者が数え切れないほどの望遠鏡観測の結果を報告した、世界中のデータの集大成です。この結果は、宇宙が重力波の背景に浸っており、長年の低周波重力波があらゆる場所で振動しているという長年の推測を裏付けています。

例え話で言えば、地球は宇宙の重力波の広大な海を漂う小さな船のようなものです。過去数年間、私たちは船体の振動を検出し、この海に波があることを実証しました。しかし今、私たちはついに海を眺め、海面を覆う波を自分の目で見ることができるようになりました。

星雲とパルサーのある宇宙の風景。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

しかし、これによって多くの新たな問題も生じます。たとえば、これらの低周波重力波がどこから来るのかはわかりません。回避する方法はありません。宇宙には奇妙なものが多すぎる。 2つの超大質量ブラックホールの衝突が最も可能性の高い原因と思われますが、他の多くの可能性もあります。膨張する宇宙の波紋でしょうか?おそらくそれは初期宇宙における相転移の痕跡なのだろうか？宇宙の欠陥ネットワークでしょうか?宇宙の大規模構造については、まだ分からないことがたくさんあります。しかし、だからこそ、低周波重力波背景の観測は非常に興味深いのです。それは、多くの未知の宇宙現象への扉を開くからです。

さらに、これらの結果の品質は必ずしも物理学の「ゴールドスタンダード」に達するわけではありません。現代物理学の慣例によれば、結果が「5σ」に達すること、つまり、新しい現象が純粋に偶然である確率が100万分の1未満であることが、「確実なハンマー」と見なされるためには必要である。今回公開された結果のすべてがこの要件を満たしているわけではありません。

厳密に言えば、この発見は「重力波背景を検出した」というよりも、「重力波背景と一致する証拠を発見した」と言うべきでしょう。しかし、さらなるテストとデータ分析が進行中であり、この方法ですぐに反論の余地のない 5σ レベルの証拠が得られるようになるとほとんどの人が考えています。

宇宙に比べると、人間の感覚がカバーできる範囲は小さすぎます。数百万年前に人が星空を見上げたときに見たものは、あらゆる人類の経験を超えたものだったかもしれませんが、物質世界全体の観点から見ると、彼が見たものは大海の一滴にも満たないものでした。その後、人類は望遠鏡やラジオ、分光計を発明し、宇宙の様相が次々と明らかにされていきましたが、暗闇の中には人間が感知できない秘密が常に隠されています。重力波の検出は、何百万年にもわたって開かれてきた無数の新たな扉の最新のものであり、重力波背景はその最新のマイルストーンです。

道は続く。

著者: ファン・ガン、進化生物学博士課程学生

査読者: 北京師範大学天文学部准教授 Yu Heng

企画編集者：徐来

担当編集者：徐来