バーナード・F・シュッツ

バーナード・フレデリック・シュッツ （ 1946年8月11日生まれ）^[1]は、イギリス系アメリカ人の物理学者です。一般相対性理論の研究、特に重力波の検出への貢献と教科書でよく知られています。

シュッツ氏は、英国王立協会フェローであり、米国科学アカデミーの会員である。カーディフ大学の物理学および天文学の教授であり、ドイツのポツダムにあるマックス・プランク重力物理学研究所（アルベルト・アインシュタイン研究所）の初代所長で、1995年から2014年まで同研究所の天体相対性理論部門を率いた。シュッツ氏は、後にLIGO科学協力（LSC）の一部となったGEO重力波共同研究の創設者および主任研究員であった。シュッツ氏はまた、宇宙搭載型重力波検出器LISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）の提案者の一人でもあり、2016年にESAにミッションが採用されるまで、そのデータ解析に関する欧州計画を調整した。シュッツ氏はオンラインオープンアクセス（OA）レビュージャーナルLiving Reviews in Relativityを発案し、1998年にAEIから出版を開始した。このジャーナルは、クラリベイトの評価によると、長年にわたり世界で最も影響力のあるOAジャーナルとなっている。（このジャーナルは現在、シュプリンガー社から出版されている。^[2]）

バーナード・フレデリック・シュッツ・ジュニアは1946年にニュージャージー州パターソンで生まれました。^[1]

シュッツは1960年から1964年までニューヨーク州ロングアイランドのベスページ高校に通い、その後ニューヨーク州ポツダムのクラークソン大学（当時はクラークソン工科大学）で物理学を専攻した。3年で学位を取得し、カリフォルニア州パサデナのカリフォルニア工科大学で物理学の大学院課程に進んだ。翌年、キップ・ソーンの研究グループに参加し、1971年に一般相対性理論における流体理論で博士号を取得した。国立科学財団のフェローシップにより、1971年から1972年までイギリスのケンブリッジに滞在し、スティーブン・ホーキングの研究グループとマーティン・リース率いる天文学研究所で時間を分けて過ごした。その後、イェール大学のジェームズ・バーディーンのグループにポスドクとして移り、同僚のポスドクであるジョン・フリードマンと実りある共同研究を開始した。^[3]

1974年、シュッツはウェールズのカーディフ大学（当時はユニバーシティ・カレッジ・カーディフ）の講師に就任し、チャンドラ・ウィクラマシンハが議長を務める応用数学部門の新設天文学グループに加わった。シュッツは相対論的な星と力学を研究する大規模な研究グループを立ち上げた。教育責任の成果として、彼は2冊の評判の高い教科書『数理物理学の幾何学的手法』と『一般相対性理論入門』を執筆した（参考文献を参照）。シュッツは1986年に教授となり、その頃、彼は研究を重力波検出へと方向転換し始めた。

カーディフにいる間、シュッツは不定期にグレギノグ相対性ワークショップという会合を主催し、ウェールズ中部のグレギノグ会議センターで開催した^[4]。これらの会合は、英国および世界中の相対性理論の専門家が主要な研究課題に焦点を絞った非公式の議論を行う人気の方法となった。1986年と1987年に、シュッツはカーディフで2つの国際会議を主催し、重力波検出プロジェクト間の連携とデータ共有の改善を目指した。2回目の会議はNATOが後援し、シュッツはそこで出版された議事録「重力波データ分析」を編集した。シュッツは英国の研究会議の諮問委員会に数多く参加し、最終的には1994年から1995年にかけて新設された素粒子物理学および天文学研究会議（PPARC）の天文学委員会の初代委員長に就任した。

1995年、シュッツはドイツに移り、ユルゲン・エーラースとともにマックス・プランク重力物理学研究所（通称アルバート・アインシュタイン研究所（AEI））を設立した。この研究所は、 1990年のドイツ統一後、旧東ドイツ地域への科学研究拡大の一環として、マックス・プランク協会（MPS）によってドイツのポツダムに設立された。エーラースは数学的一般相対性理論の研究を主導し、シュッツはブラックホールの数値シミュレーションや重力波検出器を支える理論的研究を含む天体相対性理論に焦点を当てた。^[5] MPSからの潤沢な資金提供により研究所は急速に拡大し、1997年には3人目の所長（量子重力担当のヘルマン・ニコライ）を迎えた。1998年末にエーラーズが引退した後、シュッツが専務理事となり、2002年にハノーバーにAEIの2番目の支部を設立するのを監督した。^[6]カルステン・ダンツマン率いるこの支部はGEO600重力波検出器を管理し、すぐに実験重力波物理学の主要な中心地となり、GEO600やLIGOなどの地上検出器と、宇宙ベースのLISA-Pathfinder技術実証ミッション、LISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）重力波検出器ミッション、宇宙測地学ミッションGRACE Follow-Onの両方の主要技術を開発しました。^[7]ブルース・アレンは2007年にハノーバー支部に新設された観測相対論と宇宙論部門のディレクターとして加わった。^[8]

1995年以降、シュッツ氏は欧州宇宙機関のいくつかの委員会に所属し、2004年から2008年にかけては基礎物理学諮問グループの議長を務めた。また、 2003年から2019年までLSCの執行委員会に所属した。

シュッツはオープンアクセスの科学出版を提唱していることでよく知られている。AEIでシュッツはオープンアクセスのオンラインのみのレビュー誌Living Reviews in Relativityを創刊し、1998年に出版を開始した。^[9]この雑誌は、レビュー記事が著者によって定期的に更新されるという点でユニークであった。この機能は読者にとって魅力的であることが証明され、（記事あたりの引用数に基づくと）この雑誌は長年にわたり世界中のオープンアクセス誌の中で最も高いインパクトファクターを誇っている。その姉妹誌であるLiving Reviews in Solar Physicsは、マックス・プランク太陽物理学研究所から2004年に出版を開始し、非常に多く引用されており、常に世界のトップ100にランクインしている。^[10] 3つ目の雑誌 Living Reviews in Computational Astrophysics は2015年に出版を開始した。現在、3誌ともSpringerによって出版されている。シュッツ氏は、2011年の創刊から2018年まで、APSが発行する最初のOAジャーナルであるPhysical Review Xの編集委員会のメンバーでした。 ^[11]彼は現在、米国科学アカデミー紀要の編集委員会のメンバーです。^[12]

リビングレビューのコンセプトは、2003年のオープンアクセスに関するベルリン宣言のインスピレーションの1つであり、^[13]シュッツは世界各地で開催されるベルリンOA会議の継続的なシリーズの多くを組織するのに協力しました。彼はAEIで第4回を主催しました。^[14] OAの拡大への貢献により、彼は2013年にマックスプランク協会からコミュニタス賞を受賞しました。^[15]

シュッツは長年、科学の普及と教育に強い関心を抱いてきた。著書「重力の基礎から学ぶ」 ^[16]では、高校生や大学生に代数のみを使って現代の重力を直感的に理解できるようにしており、一般相対性理論の難解な数学を回避している。シュッツはミルド・サイエンス・コミュニケーションズと共同で、ブラックホールや重力波を研究する科学者のオリジナルインタビューや短いビデオを提供するサイエンスフェイスのウェブサイト^[17]を開発した。また、ミルド・サイエンス・コミュニケーションズとエグゾゼット・ポツダムの協力を得て、シュッツは重力波に関するマルチメディアの人気講義「Music of the Spheres」を開発し、2015年に初めて重力波が検出されるまで、世界中の多くの場所で講演した。^[18]

2014年、シュッツはAEIを退職して名誉所長となり、カーディフ大学に戻り非常勤教授となった。そこでの最初の活動は、大学内でビッグデータの問題に取り組んでいる研究グループを支援するデータイノベーション研究所の設立に協力し、その後初代所長となった。^[19]これを退いた後、シュッツはカーディフ大学で一般相対性理論と重力波の研究と教育に戻った。^[20] 2015年、彼はジョージア工科大学の物理学の非常勤教授となった。^[21]

1971年の博士論文で、シュッツは流体力学の相対論的方程式をスカラー速度ポテンシャルの観点から再定式化しました[1]。このアプローチはその後、場の理論や宇宙論で多くの応用が見られました。彼はこの再定式化を論文で利用し、一般相対性理論における星の脈動と安定性を研究するための枠組みを開発しました。

この初期の研究は、1970年代にジョン・フリードマンと共同で、回転する恒星の予期せぬ重力波による不安定性の解明につながった。この不安定性は、均一密度の恒星の単純なモデルでチャンドラセカールが初めて気づいたものである。 ^{[22] [23]}現在チャンドラセカール・フリードマン・シュッツ（CFS）不安定性と呼ばれるもので、重力波の放射が恒星の回転エネルギーを利用するため、粘性などの他の効果によって十分に強く減衰されない限り、小さな初期の摂動が指数関数的に増大する。これは一般的な不安定性であり、すべての回転する恒星に存在する可能性がある。CFSクラスのメンバーは、ニルス・アンダーソンによって発見されたrモード不安定性であり、中性子星の回転速度を制限すると考えられている。^[24]

二瀬俊文氏と共同で、シュッツ氏は一般相対論のポストニュートン限界と呼ばれるものにアプローチする新しい方法を開発した。ポストニュートン限界では、一般相対論はニュートン重力に小さな修正を加える。二瀬・シュッツ法^[25]は、この問題に対する他のほとんどのアプローチで使用される質点特異点がなく、初期データに基づいているため、数学的に完全に一貫性があり収束する。彼らはそれを使用して、重力波の放出に関する標準的な「四重極公式」が、発生源がブラックホールを周回している場合でも適用できることを厳密に証明した。もちろん、これはニュートン物体に対する小さな修正ではない。^[26]

1986年、今度は重力波検出に重点を置いたシュッツは、連星系から放出される重力波には、通常天文学では非常に難しい、発生源までの距離を推測できる情報が含まれていることを示しました。^[27]この可能性は、一般相対性理論における重力の特殊なスケールフリー性質から生じます。距離情報は放出された波の位相変化と偏光にエンコードされているため、データからこの情報を抽出するには、少なくとも3つの干渉型重力波検出器のネットワークが必要です。これらのシステムは、ダニエル・ホルツとスコット・ヒューズによって「標準サイレン」と名付けられました。^[28]発生源までの距離を知ることは、合体する連星系の重力波観測から得られるほぼすべての物理的情報（構成天体の質量と回転、単位空間体積あたりのそのような事象の発生率の統計的尺度、ビッグバン以来のそのようなシステムの形成率が時間の経過とともにどのように進化してきたかの推定値）を抽出するために重要です。

距離の測定方法を示したことに加え、シュッツは1986年の論文で、そのような連星の検出回数が、宇宙の膨張率を表すハッブル定数H0の値の測定にどのように使用できるかを示した。彼は、放射する連星系が光学観測やその他の天文観測では個別に特定できない場合でも、これが可能であることを示した。H0の重要性と、他の天文方法では正確に測定するのが難しいことから、これは1980年代後半に提案されていたLIGOやその他の検出器の構築の科学的根拠の主要な部分となった。H0の最初の重力波測定は、最終的に2017年に、2つの中性子星の合体として初めて検出されたGW170817のデータを用いて行われた。LIGO、Virgo、KAGRAによる今後の観測で統計が蓄積されるにつれて、この方法は長期的にはH0を測定する最も正確な方法になると期待されている。

シュッツは1986年以降、カーディフの研究グループの努力のほとんどを、連星系の合体を検出するだけでなく、回転する中性子星、重力波のランダムな宇宙背景、予期しない信号を探すためのデータ分析方法の開発に向けました。1990年に、彼のグループは「100時間実行」からのデータの分析を開始しました。これは、グラスゴーとドイツのガルヒングにあるプロトタイプの2つの干渉計間での初の長期共同データ収集演習でした。このデータ実行と分析は、ドイツに建設される3kmの重力波干渉計に関する英国とドイツの共同提案の評価の一環として、英国とドイツの資金提供者から要請されていました。この提案は資金提供されなかったが（1990年のドイツ再統一により、政府の資金が純粋科学から旧東ドイツの再建に向けられたため）、シュッツのグループはデータ解析を行い、起こり得る信号の上限を設定した。^[29]この作業により、グループは今日でもLIGO-Virgo-KAGRAのデータ分析の中核となっているアルゴリズムの最初の実用的なバージョンを作成することができた。

1980 年代後半には、シュッツはクリス・クラークとジョン・スチュワートと共同で、スーパーコンピューターをプログラムしてアインシュタインの方程式を解く方法を開発し、連星ブラックホールの合体を研究することにしました。彼の博士課程の学生であるガブリエル・アレンとポスドクのミゲル・アルクビエレは、この分野の第一人者としての地位を確立しました。

1990年代にコスタス・コッコタスとシュッツ^[30]は、ニュートン重力理論には存在しない、中性子星の新しい振動モードを発見した。このニュートン重力理論では、星の周りの相対論的重力場が主要な力学要素となっている。wモードと呼ばれるこれらは、ブラックホールの準正規振動モードの恒星類似体である。

1995年にAEIに移ったとき、シュッツは数値相対論のより大きなグループを構築することができ、米国のNCSAからエド・ザイデルをリーダーとして招聘した。最先端の社内コンピューティングシステムを備えたこのグループは、長年にわたり数値相対論を専門とする世界最大のグループであり、この分野の現在のソフトウェアの多くを支える基本的な貢献をした。特に、オープンなアインシュタイン ツールキットは、この時期にAEIで作成されたソフトウェアにルーツがある。シュッツ自身は、重力波データ解析の準備に重点を置いた。彼は、回転する中性子星からのほぼ周期的な信号の検出の可能性の重要性を測る最適頻度主義統計尺度であるF統計量^{[31]の開発に貢献した。M.-A.パパ氏と他の協力者[32]と共に}、シュッツ氏は、数か月に及ぶデータからそのような信号を効率的に階層的に検索するためのハフ変換技術の開発に貢献しました。この手法は現在でもLIGO-Virgo-KAGRAの解析に重要なツールとなっています。

シュッツは、2019年に王立天文学会（RAS）のエディントンメダル、2006年にイタリア重力学会（ SIGRAV）のアマルディ金メダルを受賞し、2020年にアメリカ物理学会（APS）のリチャード・A・アイザックソン賞を共同受賞し、2011年にはグラスゴー大学から名誉理学博士号を授与された。^[33] 2011年にはウェールズ学術協会のフェローにも選出された。^[34]

アカデミー:

• ロンドン王立協会フェロー（2021年選出）^[35]
• 米国科学アカデミー会員（2019年選出）^[36]
• ウェールズ学術協会会員（2011年選出）^[37]
• ドイツ自然科学アカデミー会員 レオポルディナ (2006 年選出) ^[38]
• スウェーデン、ウプサラ王立芸術科学アカデミー会員（2005年選出）

協会からのメダルおよびその他の賞:

• リチャード・A・アイザックソン重力波科学賞、アメリカ物理学会、ブルース・アレンと共同受賞（2020年）^[39]
• 王立天文学会エディントンメダル（2019年）^[40]
• グラスゴー大学名誉理学博士（2011年）^[41]
• イタリア一般相対性理論および重力学会（SIGRAV）アマルディ金メダル（2006年）
• マックス・プランク協会コミュニタス賞 (2013)
• 国際一般相対性理論と重力学会フェロー（2013年）^[42]
• 王立天文学会名誉会員（2009年）^[43]
• アメリカ物理学会フェロー（1998年）

重力波検出器共同研究の他のメンバーとの共同受賞:

• 基礎物理学ブレークスルー賞（2016年）
• グルーバー宇宙論賞（2016）
• ブルーノ・ロッシ賞（2017）
• 王立天文学会グループ功績賞（2017年）^[44]
• アストゥリアス王女技術科学研究賞（2017年）
• アインシュタインメダル（2017年）^[45]

• シュッツ、バーナード F. (1980)、数理物理学の幾何学的方法、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-29887-3
• シュッツ、バーナード F. (1985)、一般相対論入門、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-27703-5
• シュッツ、BF (1989)、重力波データ分析。NATO ASIシリーズC：数学および物理科学、第253巻、Kluwer、ISBN 978-9401070287
• シュッツ、バーナード F. (2003)、重力の基礎、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-45506-5
• シュッツ、バーナード F. (2009 年 5 月 31 日)、一般相対論入門(第 2 版)、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-88705-2

• チャンドラセカール・フリードマン・シュッツ不安定性

• アルバート・アインシュタイン研究所天体物理学グループ
• サイエンスフェイス（YouTube）
• ベルリンオープンアクセスミーティングのウェブサイト（MPGの一部）
• ゴロゴロする宇宙（個人ブログページ）