一般相対性理論の概説
間接的には重力波の効果はある連星の観測により検出されていた。このような星のペアは互いに軌道を回っており、そうするにつれて重力波を放射し徐々にエネルギーを失う。太陽のような普通の恒星ではこのエネルギー損失は小さすぎて検出できないが、1974年PSR1913+16という連星パルサーで観測された。このような系では軌道を回る星の1つはパルサーである。これには2つの結果がある。パルサーは中性子星として知られる非常に密度の高い天体であり、重力波の放射は通常の星よりもずっと強い。また、パルサーは磁極から狭いビームの電磁放射線を放射する。パルサーが回転すると、灯台で回転する光からの規則正しい閃光を海上の船が観測するのと同じように、そのビームが地球上をスウィープし規則的に連なる無線パルスとして観測される。この無線パルスの規則的なパターンは非常に正確な「時計」として機能する。これは二重星の軌道周期を計るのに使うことができ、すぐ近くの時空のゆがみに鋭敏に反応する。It can be used to time the double star's orbital period, and it reacts sensitively to distortions of spacetime in its immediate neighborhood.
PSR1913+16の発見者であるラッセル・ハルスとジョゼフ・テイラーは1993年にノーベル物理学賞を受賞した。これ以降、他にもいくつかの連星パルサーが発見された。一般相対性理論の正確な試験を提供してくれることから、両方の星がパルサーであるものが最も役に立つ。
現在、多くの地上配備の重力波検出器が稼動しており、宇宙配備の検出器を打ち上げるミッションであるLISAが現在開発中であり、その前身のミッション(LISA パスファインダー)が2015年に打ち上げられた。重力波の観測を用いて、中性子星やブラックホールなどのコンパクト天体に関する情報を取得したり、ビッグバンの1秒後の初期宇宙の部分の状態を調査したりすることができる。
質量が空間のコンパクト領域に十分集中する場合、一般相対性理論はブラックホールの形成を予測する。ブラックホールは重力の影響が非常に強く、光すら逃げられない空間領域のこと。ある種のブラックホールは、大質量星の進化の最終状態と考えられている。一方、太陽の数百万、数十億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールはほとんどの銀河のコアに存在すると推測されており、過去数十億年にわたって銀河がどのように形成されたかという現在のモデルで重要な役目をしている。
コンパクト天体に落ちていく物質は、放射の形でエネルギーを放出するための最も効率的なメカニズムの1つであり、ブラックホールに落ちていく物質は考えうる最も明るい天文現象のいくらかの原因であると考えられている。天文学者にとって非常に興味深い注目すべき例は、クエーサーや他のタイプの活動銀河核である。適切な条件下では、ブラックホールの周りに蓄積する落下物質はジェットの形成につながるかもしれない。ジェットでは物質の集束ビームが光速に近い速度で宇宙に投げ出される。
ブラックホールの特性には最も有望な重力波源である理由となるものがいくつかある。理由の1つは、ブラックホールは連星系の一部として互いに周回できる最もコンパクトな天体であることである。結果的にこのような系により放出される重力波は特に強い。もう1つの理由はブラックホール唯一性定理(時間の経過とともにブラックホールは最初の幾何学的形状に関係なく特徴の最小限のセットを保持する(これらの定理は無毛定理として知られる))からなる。例えば、長期的には、仮想的な物質立方体が崩壊しても立方体の形のブラックホールは発生しない。その代わり結果として生じたブラックホールは球状の質量の崩壊により形成したブラックホールと区別することができない。球状への変化では、より複雑な形の崩壊により形成されたブラックホールは重力波を放出する。
一般相対性理論の最も重要な面の1つは、宇宙全体に適用できることである。重要な点は、大規模ではわれわれの宇宙は非常に単純な線に沿って構築されているように見えることである。現在の全ての観測では観測者の位置や観測方向に関係なく平均して宇宙の構造はほぼ同じであるべきである。宇宙は一様等方である。このような比較的単純な宇宙は、アインシュタイン方程式の単純解により説明できる。現在の宇宙の宇宙論的モデルは、一般相対性理論に対するこれら単純の解と宇宙の物質内容の特性、すなわち熱力学、核物理学、素粒子物理学を記述する理論と組み合わせることにより得られる。これらのモデルによると、われわれの現在の宇宙は約140億年前に非常に高密度な高温状態(ビッグバン)から出現し、それ以降膨張している。
アインシュタイン方程式は宇宙定数と呼ばれる項を追加することにより一般化できる。この項が存在する場合、空の空間自体が引きあう(もしくはあまり一般的ではないが斥けあう)重力源として働く。アインシュタインは元々この項を先駆的な1917年の論文で最初に導入したが、非常にはっきりとした動機があった: 当時の宇宙論的考えでは宇宙を静的であるとみなしており、一般相対性理論の枠組みの中で静的なモデル宇宙を構築するために追加の項が必要であった。宇宙が静的ではなく膨張していることが明らかとなったとき、アインシュタインはすぐにこの追加項を破棄した。しかし、1990年代終わり以降宇宙定数(もしくは同様に特別で遍在するダークエネルギーの類い)と一致する加速膨張を示す天文学的証拠が着実に蓄積されてきている。
一般相対性理論は、印象的な一連の物理現象を記述する正確なモデルの枠組みを与えることに非常に成功している。その一方、多くの興味深い未解決の問題があり、特に理論全体としてはほぼ間違いなく不完全である。
基本相互作用の他の全ての現代理論とは対照的に、一般相対性理論は古典理論である。これには量子物理学の効果が含まれない。一般相対性理論の量子版の探究は物理学の最も基本的な未解決問題の1つにあたる。量子重力理論として特に弦理論やループ量子重力理論など有望な候補はあるが、現時点では一貫して完全な理論は無い。長らく量子重力理論が一般相対性理論の別の問題のある特徴、時空特異点の存在を排除することが望まれている。これらの特異点は、幾何学がうまく定義できない時空の境界(「鋭い刃」)であり、一般相対性理論自体が予測力を失う。さらに、一般相対性理論の法則が量子修正なしで成り立つ場合、そのような特異点が宇宙内にそんざいしなければならないと予測するいわゆる特異点定理がある。最も有名な例はブラックホールと宇宙の始まりを記述するモデル宇宙に関連する特異点である。
一般相対性理論を修正する他の試みは宇宙論の文脈で行われた。現代宇宙論のモデルでは、宇宙のほとんどのエネルギーは直接検出できていない形、すなわちダークエネルギーと暗黒物質の形で存在している。例えば修正ニュートン力学など重力と宇宙膨張の力学を支配する法則を修正することにより、これらの謎の形をした物質とエネルギーの必要性を取り除こうとした論争になっている提案がいくつかある。
量子効果や宇宙論の挑戦を越えて、一般相対性理論の研究はさらなる探究の可能性に富んでいる。数学的相対主義者は、特異点の性質とアインシュタイン方程式の基本的性質を探究し、特殊な時空のより包括的なコンピュータシミュレーション(ブラックホールの合体を記述するものなど)を実行している。理論が最初に発表されてから100年以上が経過し、研究はこれまで以上に活発になっている。