重力波の初検出

重力波の初検出は、2015年9月14日に行われ、アメリカの重力波望遠鏡LIGOとヨーロッパの重力波望遠鏡Virgoの研究チームによって2016年2月11日に発表された。

それまで重力波の存在は、連星系を成すパルサーが出すパルスの周期変動から間接的に示されているだけであった。LIGOで検出された重力波の波形 は、36太陽質量と29太陽質量の連星ブラックホールが互いを周回し、合体し、ひとつのブラックホールが作られた時に現れる重力波の波形group=注釈とよく一致していた 。この重力波発生イベントは、GW150914  と名付けられた。これは、連星ブラックホールが合体する様子が初めてとらえられたものであり、恒星質量ブラックホールの連星が存在すること、それが現在の宇宙年齢の間に合体しうることを示すものであった。

重力波の初検出は、特筆すべき成果として世界中で報道された。重力波の直接的な存在証明は50年以上にわたって研究者が目指してきたことであり、またアルベルト・アインシュタイン自身も重力波の検出可能性には疑いの目を持っていたこと などがその理由である。ブラックホール合体によって生み出された重力波は、時空のさざ波として地球に到達した。これによって、LIGOの長さ4キロメートルの腕は、陽子の大きさの1/1000だけ伸縮した。これは、太陽にもっとも近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリまでの距離が髪の毛1本の太さ分伸縮したことに相当するgroup=注釈。

ふたつのブラックホールが合体することによって生じたエネルギーは膨大なものであり、重力波として3.0 //c//2 太陽質量  が放出された。しかもそれは合体過程の最後の数ミリ秒間にピークとなり、3.649}} ワットであった。これは、観測可能な宇宙にあるすべての星が放つ光のエネルギーの総計よりも大きなものであったgroup=注釈。

一般相対性理論によって予言されながらも最後まで未検出であった重力波だが、GW150914によって、大規模な天文現象が生み出す時空のゆがみが実際に存在することが観測で確かめられた。また、GW150914の検出は重力波天文学の幕開けを告げるものでもあり、それまで電磁波では観測不可能であった劇的な現象の観測を可能にし、さらにビッグバン直後の宇宙の直接探査に道を開くものであった。このあと、2015年後半に2件の重力波の検出があったことが2016年6月15日に公表された。さらに2017年には8件の重力波検出があり、その中には初めて電磁波でも観測された連星中性子星の合体現象 GW170817も含まれている。

1. 重力波
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アルベルト・アインシュタインは、自らが構築した一般相対性理論 をもとに、1916年に重力波の存在を予言した。一般相対性理論では、物質が質量を持つことで引き起こされる時空のゆがみによって重力が生じると考える。このため、アインシュタインは時空のゆがみが宇宙の中をさざ波のように広がっていくと考えた。しかし、その波は極めて微弱であるから、アインシュタインはこれを実際に検出できる日は来ないだろうと予想していた。また、軌道運動する物体は周囲に重力波を放射し、エネルギー保存則に従って徐々にエネルギーを失っていくことも予言された。この場合も、非常に特殊なケースを除いて、失われるエネルギーは極めて微々たるものであるとされた。

宇宙で起きる様々な現象の中で最も強い重力波が放出されるのは、非常にコンパクトで高密度な天体、例えば中性子星やブラックホールが合体する最後の瞬間である。連星を成す中性子星やブラックホールは、数百万年以上の長い時間をかけて重力波を放ちながら徐々にエネルギーを失っていき、やがて衝突する。合体の直前に、ふたつの天体の移動速度は極限まで大きくなり、合体の瞬間に相当量の質量が重力エネルギーに変換され、そして重力波となって宇宙に放たれる。しかし、このような過程を経るコンパクト天体の連星系が宇宙にどれほど存在し、その衝突にかかる時間がどれほど長いものであるのかはほとんど解明されていなかったため、重力波の発生頻度についても確かな予測はなかった。

1.1. 観測
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重力波は、重力波が引き起こす天体現象を観測することによって間接的に、またLIGOのような重力波望遠鏡によって直接観測される。

1.1.1. 間接的な観測
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重力波の証拠が初めて得られたのは、1974年、連星中性子星系PSR B1913+16の運動の観測を通してであった。連星を成すふたつの中性子星のうち、一つは極めて規則正しい電波パルスを出す天体「パルサー」であった。この系を発見したラッセル・ハルスとジョセフ・テイラーは、時間とともにパルスの周期が短くなっていること、すなわちふたつの中性子星の軌道が徐々に小さくなっていることを見出した。そのエネルギー変化は、重力波を放出していると仮定したときに失われるエネルギーと非常によく一致していた。この発見によって、ハルスとテイラーは1993年のノーベル物理学賞を与えられた。PSR B1913+16や他の連星系 がさらに詳しく観測され、高い精度で一般相対性理論との一致が認められた。

1.1.2. 直接観測
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重力波の直接検出には、地球上にあまねく存在する微小振動と重力波による変位を見分けられる極めて高精度な装置が必要であり、その実現には何十年もの時間を要した。干渉計と呼ばれる技術が1960年代に提唱され、この技術を発展させることが実際の検出に結びついた。

LIGOなど現在の重力波望遠鏡では、レーザー光をふたつに分割し、異なる道筋を通らせたのちに再び一つに合わせることによって重力波を検出する。重力波が検出器に到達すると、光路長がわずかに変化するため、うなりが生じる。うなりを検出する仕組みは、微小な距離の変化に極めて敏感である。理論的には、長さおよそ4キロメートルの腕を持つ重力波干渉計であれば、陽子の直径にも満たないごくわずかな時空の変動を検出することができるとされる。ノイズとの混同を避けるため、同様の規模のほかの重力波望遠鏡、例えばVirgo干渉計やGEO 600、KAGRA、INDIGOなどと協調して観測を行い、2か所以上で検出されることが理想である。LIGOは1992年に設立され、2010年から2015年にかけてのアップグレードにより性能は当初よりおよそ10倍向上した。

LIGOでは、およそ3000キロメートル離れたふたつの観測所、ルイジアナ州リビングストン郡リビングストンのLIGOリビングストン観測所と、ワシントン州ベントン郡リッチランドのLIGOハンフォード観測所 を同期して観測を行っている。ふたつの観測所の信号は常に比較されており、同時に発生した有意な信号はすぐに同定され、重力波起源であるのか何らかのノイズであるかの判定がなされる。

2002年から2010年までのLIGOの観測では、重力波の検出を示す有意な信号は一度も得られなかった。その後LIGOは複数年にわたって観測を停止し、感度を向上させたAdvanced LIGOとなるべくアップグレードされた。2015年2月、アップグレード作業を終えたふたつの観測所は、試験観測を開始し、本観測に向けた機能の確認作業を行った のちに、2015年9月18日に正式な科学観測を開始する予定であった。

LIGOの建設と初期の観測期間中には、人為的な重力波信号が秘密裏に複数回入力され、研究者による信号検出可能性を試験した。試験の有効性を高めるために、人為的信号が入力されたタイミングを知っていたのはわずか4名の研究者だけであり、すべての検証作業が終わったのちに初めて人為的信号であることが明らかにされた。2015年9月14日、試験観測期間中であったLIGOは、重力波の可能性がある信号を検出した。この信号は人為的信号ではなく、GW150914と名付けられた。

2. GW150914
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2.1. 検出
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GW150914は、2015年9月14日世界時09:50:45に、LIGOのハンフォード、リビングストン両観測所によって検出された。このときLIGOはエンジニアリングモード、つまり検出器は稼働しているものの正式な科学観測には入っておらず、当初はこの検出が実際の信号を捉えたものなのか、シミュレーションデータを人為的に挿入したものなのかを区別することは難しかった。のちに人為的信号の挿入が行われていないことが明らかになり、実際の検出に成功したことが確かとなった。

信号は0.2秒間にわたって記録されており、8周期の間に周波数は35ヘルツから250ヘルツへと増加し、同時に振幅も増加した。この周波数は人間の可聴域にあり、鳥のさえずりのようでもあった。この信号検出の発表後、ソーシャルメディア上でこのさえずりを模倣する天体物理学者や他の分野の研究者が現れた。

信号の入感から3分以内に、重力波検出の可能性を知らせるアラートが出された。これは、検出を検証するためのデータ解析を研究者に促すためである。 世界時09:54に発せられた自動アラートに続いて、人為的信号の挿入がなされていないことを確認する内部電子メールが回覧された。このあと、LIGO研究チームのメンバーたちは、これが実際の重力波検出である可能性が高いことを悟り、重力波が示す物理パラメータの導出を行った。

信号をより統計的に詳細に解析し、また2015年9月12日から10月20日までのデータと比較することで、GW150914が確かに重力波を検出したものであること、その有意性は少なくとも5.1シグマであることが明らかになった。LIGOリビングストン観測所では、ハンフォード観測所よりも7ミリ秒早く信号を検出していたことも明らかになった。重力波は光速で伝搬するが、この時間差はふたつの場所における光の到達時間差と一致することも確かめられた。重力波は、光の速度で10億年以上も旅し続けてきたことになる。

この重力波が地球に到達したとき、イタリア、ピサにあるVirgo干渉計はアップグレード作業の途中で、観測を行っていなかった。もし観測中であったならばVirgo干渉計でも十分に検出されていたし、その場合には発生源の位置決定精度は大幅に上昇していたはずである。ドイツハノーファー近郊にある GEO600の感度は検出には十分でなかった し、日本のKAGRAも建設中であった。このため、GW150914の重力波信号を検出できる検出器は、LIGO以外には存在しなかった。

2.2. 起源天体
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重力波は、光度距離で 440 メガパーセク6}}の距離で発生した。この距離は、重力波信号の振幅をもとに計算されたものであり、14億光年、あるいは赤方偏移0.093 に相当する。この距離をもとにすると、重力波は、太陽質量の 35倍と30倍のふたつのブラックホールが合体し62太陽質量のブラックホールが作られたことによって発せられたことがわかった6}}。合体前後の合計質量の差