重力波天文学

重力波天文学は、天体物理学的源から放出される重力波の検出と研究に関わる天文学の分野である。 ^[1]

重力波は、巨大な物体の加速によって引き起こされる時空の微細な歪みまたはさざ波です。重力波は、連星ブラックホールの合体、連星中性子星の合体、超新星爆発、ビッグバン直後の初期宇宙の過程などの激変イベントによって生成されます。重力波の研究は、宇宙を観察する新しい方法を提供し、極限状態における物質の挙動に関する貴重な洞察を提供します。電磁場の変動の伝播によるエネルギー輸送を伴う電磁放射（光波、電波、赤外線、X線など）と同様に、重力放射は比較的弱い重力場の変動を伴います。重力波の存在は、 1893年にオリバー・ヘヴィサイドによって初めて示唆され、その後1905年にアンリ・ポアンカレによって電磁波の重力版として推測され、その後1916年にアルバート・アインシュタインによって一般相対性理論の帰結として予測されました。

1978年、ラッセル・アラン・ハルスとジョセフ・フートン・テイラー・ジュニアは、互いの周りを回る2つの中性子星を観測することで重力波の存在を初めて実験的に証明し、その研究により1993年のノーベル物理学賞を受賞した。2015年、アインシュタインの予言からほぼ1世紀後、 2つのブラックホールの合体からの信号としての重力波が初めて直接観測され、この捉えどころのない現象の存在が確認され、天文学の新時代が幕を開けた。その後の検出には、連星ブラックホールの合体、中性子星の衝突、その他の激しい宇宙現象が含まれる。重力波は現在、通過する波によって引き起こされる2本の垂直な腕の長さのわずかな変化を測定するレーザー干渉法を使用して検出されている。LIGO（レーザー干渉計重力波観測装置）、Virgo、KAGRA （神岡重力波検出器）などの観測所は、この技術を使用して、遠く離れた宇宙の出来事からの微弱な信号を捉えています。LIGOの共同設立者であるバリー・C・バリッシュ、キップ・S・ソーン、ライナー・ワイスは、重力波天文学における画期的な貢献により、2017年のノーベル物理学賞を受賞しました。

遠方の天体を電磁波で観測すると、散乱、吸収、反射、屈折などのさまざまな現象によって情報が失われます。星雲の内部、銀河中心核の濃い塵の雲、ブラックホール付近の領域など、光子が部分的にしか透過できない領域が宇宙に残っています。重力天文学は、電磁天文学と並行して使用して、より高解像度で宇宙を研究できる可能性があります。マルチメッセンジャー天文学と呼ばれるアプローチでは、重力波データを他の波長のデータと組み合わせて、天体物理現象のより完全な画像を取得します。重力波天文学は、初期宇宙を理解し、重力理論をテストし、暗黒物質と暗黒エネルギーの分布を明らかにするのに役立ちます。特に、宇宙の加速膨張率を示すハッブル定数を見つけるのに役立ちます。これらすべてが、標準モデル（BSM）を超える物理学への扉を開きます。

この分野に残る課題としては、ノイズ干渉、超高感度機器の不足、低周波の検出などがある。地上の検出器は、環境擾乱によって生じる地震振動や、地球表面の曲率による検出器のアームの長さの制限などの問題に直面している。将来的には、重力波天文学の分野では、LISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）などの宇宙ベースの検出器とともに、アップグレードされた検出器と次世代の観測所の開発に取り組むことになるだろう。LISAは、銀河核のコンパクトな超大質量ブラックホールや原始ブラックホールなどの遠方のソースだけでなく、連星白色矮星の合体や初期宇宙からのソースなどの低周波に敏感な信号源も聞くことができるようになる。^[2]

重力波は、軌道連星系の加速された質量によって生成される重力の強さの波であり、発生源から光速で波として伝播します。重力波は、1893 年にオリバー・ヘビサイドによって最初に提唱され、その後1905 年にアンリ・ポアンカレによって、電磁波に似ているが重力波に相当する波として提唱されました。

重力波は、1916年にアルバート・アインシュタインが一般相対性理論に基づいて時空のさざ波として予言した。後に彼は重力波を受け入れることを拒否した。^{[3]重力波は、}電磁放射に似た放射エネルギーの一種である重力放射としてエネルギーを輸送する。古典力学の一部であるニュートンの万有引力の法則は、物理的相互作用が瞬間的に（無限の速度で）伝播するという仮定に基づいているため、重力波の存在を規定しておらず、ニュートン物理学の方法が相対性に関連する現象を説明できない理由の1つを示している。

重力波の存在を間接的に証明する最初の証拠は、1974年に観測されたハルス・テイラー連星パルサーの軌道の減衰から得られた。これは、重力放射によってエネルギーが失われる際に一般相対性理論で予測された減衰と一致した。1993年、ラッセル・A・ハルスとジョセフ・フートン・テイラー・ジュニアはこの発見により ノーベル物理学賞を受賞した。

重力波の直接観測は、2015年に2つのブラックホールの合体によって生成された信号がルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードのLIGO 重力波検出器で受信されるまで行われなかった。その後、重力波の直接検出に貢献した ライナー・ワイス、キップ・ソーン、バリー・バリッシュの3人に2017年のノーベル物理学賞が授与された。

重力波天文学では、重力波の観測は重力波の発生源に関するデータを推測するために使用されます。この方法で研究できる発生源には、白色矮星、中性子星、ブラックホールで構成される連星系、超新星などの現象、ビッグバン直後の初期宇宙の形成などがあります。

検出器間の連携は、それぞれの仕様と感度が異なるため、ユニークで貴重な情報を収集するのに役立ちます。数マイル/キロメートルに及ぶ地上ベースのレーザー干渉計はいくつかあり、これには米国ワシントン州とルイジアナ州の2つのレーザー干渉計重力波観測所(LIGO) 検出器、イタリアの欧州重力観測所のVirgo 、ドイツのGEO600、日本の神岡重力波検出器(KAGRA) が含まれます。LIGO、Virgo、および KAGRA はこれまで共同観測を行ってきましたが、GEO600 は機器の感度が低いため、現在は試験運用とテスト運用に使用されており、最近は他の機器との共同運用には参加していません。

2015年、LIGOプロジェクトはレーザー干渉計を使用して重力波を直接観測した最初のプロジェクトでした。 ^{[5] [6]} LIGO検出器は2つの恒星質量ブラックホールの合体からの重力波を観測し、一般相対性理論の予測と一致しました。^{[7] [8] [9]}これらの観測は、連星質量ブラックホール系の存在を実証し、重力波の初の直接検出と連星ブラックホール合体の初の観測となりました。^{[10]この発見は、重力波天文学を使用して}暗黒物質とビッグバンの探索と探査を進歩させる能力を検証したため、科学にとって革命的であると特徴付けられています。

観測の代替手段としては、パルサータイミングアレイ（PTA）を使用する方法がある。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）の3つのコンソーシアムがあり、国際パルサータイミングアレイとして協力している。これらは既存の電波望遠鏡を使用するが、ナノヘルツ範囲の周波数に敏感であるため、信号を検出するには長年の観測が必要であり、検出器の感度は徐々に向上する。現在の限界は、天体物理学的ソースに期待される限界に近づいている。^[11]

2023年6月、上記の3つと中国のパルサータイミングアレイの4つ​​のPTAコラボレーションが、ナノヘルツ重力波の確率的背景に関する独立だが類似した証拠を提供した。 ^{[14]それぞれが、理論的な}ヘリングス・ダウンズ曲線、すなわち2つのパルサー間の四極相関を空での角度分離の関数として独立して初めて測定した。これは、観測された背景が重力波起源であることを示す明らかな兆候である。^{[15] [16] [17] [18]}この背景の源はまだ特定されていないが、超大質量ブラックホールの連星が最も可能性の高い候補である。^[19]

さらに将来的には、宇宙に搭載する検出器の可能性もあります。欧州宇宙機関は、 2034年に打ち上げ予定のL3ミッションに重力波ミッションを選択しており、現在のコンセプトは進化型レーザー干渉計宇宙アンテナ（eLISA）です。^{[20]また、日本の}デシヘルツ干渉計重力波観測所（DECIGO）も開発中です。

天文学は伝統的に電磁放射に依存してきました。可視光線から始まり、技術が進歩するにつれて、電波からガンマ線まで、電磁スペクトルの他の部分を観測できるようになりました。新しい周波数帯のそれぞれが、宇宙に対する新しい視点を与え、新しい発見の先駆けとなりました。^{[21] 20世紀には、}高エネルギーの重い粒子の間接的、そして後には直接的な測定により、宇宙を見るための新たな窓が開かれました。20世紀後半には、太陽ニュートリノの検出によりニュートリノ天文学という分野が確立され、太陽の内部構造など、これまではアクセスできなかった現象への洞察が得られました。^{[22] [23]}重力波の観測は、天体物理学的観測を行うためのさらなる手段となります。

ラッセル・ハルスとジョセフ・テイラーは、 1993年に、パルサーを含む中性子星のペアの軌道の崩壊が一般相対性理論による重力波の予測に合致することを示したことでノーベル物理学賞を受賞した。 ^[24]その後、他の多くの連星パルサー（1つの二重パルサーシステムを含む）が観測され、すべて重力波の予測に合致した。^{[25] 2017年、重力波の最初の検出に貢献した}ライナー・ワイス、キップ・ソーン、バリー・バリッシュの3人にノーベル物理学賞が授与された。^{[26] [27] [28]}

重力波は、他の手段によって提供される情報に補足的な情報を提供します。異なる手段を使用して行われた単一のイベントの観測を組み合わせることで、ソースの特性についてより完全な理解を得ることができます。これは、マルチメッセンジャー天文学として知られています。重力波は、他の手段では見えない（または検出がほぼ不可能な）システムを観測するためにも使用できます。たとえば、重力波はブラックホールの特性を測定する独自の方法を提供します。

重力波は多くのシステムから放射されますが、検出可能な信号を生成するには、その発生源が光速のかなりの部分で移動する非常に質量の大きい物体で構成されている必要があります。主な発生源は、2 つのコンパクトな物体の連星です。例として、次のようなシステムがあります。

• コンパクトな連星は、白色矮星、中性子星、ブラックホールなど、2つの近い軌道を回る恒星質量の天体から構成されます。軌道周波数が低いより広い連星は、 LISAなどの検出器の信号源となります。^{[29] [30]より近い連星は、} LIGOなどの地上検出器に信号を生成します。^[31]地上の検出器は、数百太陽質量の中間質量ブラックホールを含む連星を検出できる可能性があります。 ^{[32] [33]}
• 超大質量ブラックホール連星は、10 ⁵～ 10 ⁹ 太陽質量の 2 つのブラックホールから構成されます。超大質量ブラックホールは銀河の中心にあります。銀河が合体すると、その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。^[34]これらは潜在的に最も大きな重力波信号です。最も質量の大きい連星はPTAのソースです。^{[35]より質量の小さい連星 (約 100 万太陽質量) は、} LISAのような宇宙搭載検出器のソースです。^[36]
• 超大質量ブラックホールを周回する恒星質量コンパクトオブジェクトの極限質量比システム。 ^[37]これらはLISAのような検出器のソースです。^[36]高度に偏心した軌道を持つシステムは、最接近点を通過するときに重力放射のバーストを生成します。^[38]インスパイラルの終わりに向かって予想されるほぼ円形の軌道を持つシステムは、LISAの周波数帯域内で継続的に放射します。^[39]極限質量比インスパイラルは、多くの軌道にわたって観測できます。これにより、それらは背景の時空幾何学の優れたプローブとなり、一般相対性理論の精密なテストが可能になります。^[40]

バイナリに加えて、他の潜在的なソースもあります。

• 超新星は重力波の高周波バーストを発生させ、LIGOやVirgoで検出できる。^[41]
• 回転する中性子星は、軸非対称性を持っている場合、連続的な高周波波の源となる。^{[42] [43]}
• インフレーションや相転移などの初期宇宙の過程。^[44]
• 宇宙ひもが存在する場合、重力波を放射する可能性もあります。^[45]これらの重力波が発見されれば、宇宙ひもの存在が確認されるでしょう。

重力波は物質と弱くしか相互作用しません。これが重力波の検出が難しい理由です。また、重力波は宇宙を自由に移動でき、電磁波のように吸収または散乱されないことを意味します。そのため、超新星の中心核や銀河中心などの高密度システムの中心を見ることができます。また、電磁波よりもさらに過去を見ることも可能です。これは、再結合前の初期の宇宙は光に対して不透明でしたが、重力波に対しては透明だったためです。^[46]

重力波は物質中を自由に移動できるため、望遠鏡とは異なり、重力波検出器は単一の視野を観測するのではなく、全天を観測する。検出器は方向によって感度が異なるため、検出器のネットワークを持つことが有益である理由の1つである。^[47]検出器の数が少ないため、方向性も乏しい。

宇宙インフレーションは、ビッグバン後の最初の¹⁰⁻³⁶ 秒間に宇宙が急速に膨張したと仮定される期間であり、重力波を発生させ、 CMB放射の偏光に特徴的な痕跡を残したであろう。 ^{[48] [49]}

マイクロ波放射のパターンの測定から原始重力波の特性を計算し、その計算を使用して初期宇宙について学ぶことが可能です。 ^{[どうやって？ ]}

重力波天文学は研究分野としてまだ発展途上であるが、天体物理学界では、この分野が21世紀のマルチメッセンジャー天文学の確立された構成要素へと進化していくというコンセンサスがある。^[50]

重力波観測は、電磁スペクトルの観測を補完するものである。^{[51] [50]}これらの波は、電磁波の検出と分析では不可能な方法で情報をもたらす可能性もある。電磁波は吸収され再放射されるため、発生源に関する情報の抽出が困難になる。しかし、重力波は物質と弱い相互作用しかせず、散乱も吸収もされない。これにより、天文学者は超新星の中心、恒星雲、さらには衝突する銀河核を新しい方法で観察できるようになる。

地上の検出器は、2つの恒星質量ブラックホールの連星系の螺旋位相と合体、および2つの中性子星の合体に関する新しい情報をもたらしました。また、コア崩壊型超新星や、小さな変形を伴うパルサーなどの周期的な発生源からの信号も検出できます。宇宙初期（宇宙時間で約10 ^{−25秒）の長い宇宙ひもからの特定の種類の}相転移やキンクバーストについての推測が真実であれば、これらも検出できる可能性があります。^[52] LISAのような宇宙ベースの検出器は、2つの白色矮星からなる連星やAM CVn星（連星パートナーである低質量ヘリウム星から物質を降着している白色矮星）などの天体を検出し、超大質量ブラックホールの合体や、そのようなブラックホールへのより小さな天体（太陽の1〜1000倍の質量）の螺旋位相の観測も行うはずです。 LISAは地上の検出器と同じような初期宇宙からの音源を、さらに低い周波数で、大幅に感度を高めて聞くことができるはずだ。^[53]

放出された重力波を検出することは困難な作業である。これには、地上検出器GEO600で示されているように、少なくとも2·10 ⁻²²  Hz ^{−1/2の感度で較正された超安定な高品質レーザーと検出器が必要である。 [54]}また、超新星爆発などの大規模な天文現象からでも、これらの波は原子直径ほどの小さな振動にまで減衰する可能性が高いと提案されている。^[55]

重力波の発生源を正確に特定することも課題です。しかし、重力レンズ効果による波の偏向と機械学習を組み合わせることで、より簡単かつ正確に行うことができます。^[56] SNレフスダル超新星の光が、重力レンズ効果によって一部の光が宇宙の別の経路に送られたため、発見されてからほぼ1年後に2度目に検出されたのと同じように、同じアプローチを重力波にも使用できます。^[57]まだ初期段階ではありますが、携帯電話がGPS衛星との関係で位置を特定するために使用する三角測量に似た技術が、天文学者が波の発生源を追跡するのに役立つでしょう。^[58]

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• 重力波観測のリスト
• 整合フィルタ#重力波天文学

• LIGO 科学協力
• AstroGravS: 天体重力波源アーカイブ
• ビデオ (04:36) – 重力波の検出、デニス・オーバーバイ、NYT (2016 年 2 月 11 日)。
• ビデオ (71:29) – 発見を発表する記者会見:「LIGO が重力波を検出」、国立科学財団(2016 年 2 月 11 日)。
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