重力波背景

重力波背景（GWB、確率的背景とも呼ばれる）は、宇宙に浸透する重力波のランダムな背景であり、パルサータイミングアレイなどの重力波実験によって検出できます。^[1]信号は、初期宇宙の確率過程のように本質的にランダムである場合もあれば、超大質量ブラックホール連星のように、多数の弱い独立した未解決の重力波源の非整合な重ね合わせによって生成される場合もあります。重力波背景を検出することで、仮説上の古代の超大質量ブラックホール連星などの天体物理学的源集団や、仮説上の原始インフレーションや宇宙ひもなどの初期宇宙のプロセスについて、他の手段ではアクセスできない情報が得られます。^[2]

背景の潜在的な発生源は、さまざまな周波数帯域にわたっていくつか想定されており、それぞれの発生源は異なる統計特性を持つ背景を生成します。確率的背景の発生源は、宇宙論的発生源と天体物理学的発生源の 2 つのカテゴリに大別できます。

宇宙背景は、初期宇宙のいくつかの源から発生する可能性がある。これらの原始源の例には、初期宇宙における時間変化するインフレーションスカラー場、インフレーション後の「予熱」メカニズム（インフレーション粒子から通常物質へのエネルギー移動を含む）、初期宇宙における宇宙相転移（電弱相転移など）、宇宙ひもなどがある。これらの源は仮説的なものであるが、それらから原始重力波背景が検出されれば、新しい物理学の大きな発見となり、初期宇宙の宇宙論と高エネルギー物理学に大きな影響を与えるだろう。^{[3] [4]}

天体背景は、多くの弱く、独立していて、未解決の天体源のノイズが組み合わさって生成されます。^[2]たとえば、恒星質量の連星ブラックホールの合体による天体背景は、現世代の地上重力波検出器の確率的背景の主要な源になると予想されています。LIGOとVirgoの検出器は、すでにそのようなブラックホール合体による個々の重力波イベントを検出しています。しかし、そのような合体は大量に発生するため、個別には解決できず、検出器でランダムに見えるノイズのハム音が発生します。個別には解決できない他の天体源も背景を形成する可能性があります。たとえば、進化の最終段階にある十分に重い星は、崩壊してブラックホールまたは中性子星を形成します。このような形成につながる爆発的な超新星イベントの最後の瞬間の急速な崩壊では、理論的には重力波が解放される可能性があります。^{[5] [6]}また、高速で回転する中性子星では、重力波の放出によって引き起こされる一連の不安定性が存在する。^[要出典]

発生源の性質は、信号の感度周波数帯にも依存します。LIGOやVirgoのような地上実験の現在の世代は、約10Hzから1000Hzの可聴周波数帯の重力波に敏感です。この帯域では、確率的背景の最も可能性の高い発生源は、連星中性子星と恒星質量連星ブラックホールの合体による天体物理学的背景です。^[7]

観測の代替手段は、パルサータイミングアレイ（PTA）を使用することです。3つのコンソーシアム、すなわち欧州パルサータイミングアレイ（EPTA）、北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）、パークスパルサータイミングアレイ（PPTA）が国際パルサータイミングアレイとして連携しています。これらのコンソーシアムは電波望遠鏡を使用して、ナノヘルツから100ナノヘルツの範囲の低周波の重力波に敏感な銀河規模の検出器を形成するミリ秒パルサーの銀河配列を監視します。既存の望遠鏡では、信号を検出するために何年もの観測が必要であり、検出器の感度は徐々に向上します。感度の限界は、天体物理学的ソースに期待されるものに近づいています。^[8]

銀河の中心には、太陽の10 ⁵～10 ^{9倍の質量を持つ} 超大質量ブラックホールが存在します。超大質量ブラックホールと銀河のどちらが先に生まれたのか、また、どのように進化してきたのかはわかっていません。銀河が合体すると、中心にある超大質量ブラックホールも合体すると予想されます。 ^[9]これらの超大質量連星は、潜在的に最も大きな低周波重力波信号を生成します。その中で最も質量が大きい連星は、原理的にはPTAで検出可能なナノヘルツ重力波背景の潜在的な発生源です。^[10]

2016年2月11日、LIGOとVirgoの共同研究チームは、2015年9月に行われた重力波の直接検出と観測に初めて成功したと発表した。このとき、2つのブラックホールが衝突して検出可能な重力波が発生した。これは、重力波の検出に向けた第一歩である。^{[13] [14]}

2023年6月28日、北米ナノヘルツ重力波観測所の共同研究チームは、ミリ秒パルサーのアレイからの観測データを使用して重力波の証拠を発表しました。^{[15] [16]} EPTA ^[17] 、パークス天文台^[18]、中国パルサータイミングアレイ（CPTA）^{[19] [20]}からの観測も同日に発表され、異なる望遠鏡と分析方法を使用した重力波の証拠の相互検証を提供しました。^{[21]これらの観測により、理論的な}ヘリングス・ダウンズ曲線、つまり2つのパルサー間の四極子および高次の多極子相関が空の角度分離の関数として初めて測定され、観測された背景の重力波起源の明らかな兆候となりました。^{[22] [23]}

この重力波背景放射の源はさらなる観測と分析なしには特定できないが、超大質量ブラックホールの連星が有力な候補である。^[1]

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