時空のゆがみで宇宙を見る重力波

重力波は、大きく報道されている通り、２０１５年以降のこの分野の進展はただ怒濤という言葉しか思い当たらないといいます。重力とは時空構造のゆがみであった。なにも物質がない真空であっても、そこにわずかな時空のゆがみがあると、それが波となって光速で伝わることがアインシュタイン方程式から示されます。これが重力波です。

ブラックホールや中性子星などの二つの超高密度星が連星を組んでいると、ぐるぐる回る二つの星の重力のために周囲の時空構造がめまぐるしく変わります。これが重力波となって四方八方にエネルギーを持ち去ることになります。 二つの連星はエネルギーを失うと、その距離を縮めていき、やがて合体して一つになります。

その際に最大強度の重力波が放出される事になります。重力波自体は一般相対論の完成直後の１９１６年にアインシュタイン自身が予言したものです。そして遠方のブラックホールや中性子星の合体からの重力波を地球でとらえようという試みも長年行われてきました。

一辺数キロメートルの距離で人工レーザー光を飛ばしている状態で、そこに重力波がやってくると、時空のゆがみによってわずかにレーザー光が通過する経路の長さが変わります。これを検出しようというものです。

だが、地球に届く重力波によって空間の長さが変わるその割合はわずかに１０の２乗分の1ほどで、数キロメートルの光の経路に生じる長さの変化量は原子核の中にある陽子の大きさのさらに１０００分の１という小さなものになります。

１９９０年代、すでに日米欧でレーザー重力波検出器のプロジェクトが進められていたのですが、正直言って重力波が検出できるのは遠い将来の話という印象でした。当時、暗黒物質の正体解明と重力波の検出と、どちらが早く実現するか、という賭けをする科学者たちがいたといいます。多くの科学者は暗黒物質の方に賭けたといいます。

だが、２０００年代に入り、特に米国のＬＩＧＯ実験で急速な感度向上が実現し、ついに２０１５年９月、３０太陽質量ほどの二つのブラックホールの合体による重力波が検出されてしまいました。ＬＩＧＯが目標到達感度に達したと聞いてからほどなく、あっけないほど早く実現したという印象でした。

信念を持って大勢で力を合わせれば、人間に不可能な事などないのだという気持ちにさせてくれるほどの快挙と言えます。そしてこの発見が公表されたのは２０１６年、アインシュタインが重力波を予言してから丁度１００年後というのもなにやら出来すぎた話です。

これによって、相対性理論の正しさが改めて証明されるとともに、ブラックホールが本当に存在するという、これまでで最も強力な証明が得られたことになります。そして２０１７年の夏には、今度は中性子星同士の合体からの重力波が検出されました。

ブラックホール同士の合体では電磁波でなにか光ることは期待できないが、中性子星同士の合体では一部の物質が外に飛び出し、電磁波でも光ることが期待されていました。そして世界中の天文台や人工衛星が望遠鏡を向けたところ、予想通り、中性子星から飛び出した高密度物質が原子核崩壊の熱で温められて光る現象が可視光で観測されました。

星の内部で安定して起こる核融合反応では、原子核として最も安定した元素である鉄までしか生成されていません。だが自然界には、鉄よりはるかに重い金やウランなどの元素が存在します。これらは爆発現象など、なんらかの不安定で突発的な現象から作られる必要があります。その候補として、超新星や連星中性子星合体が長年議論されてきました。

中性子星合体からの可視光放射は、この説を強く裏付けるものとなりました。この数年の重力波天文学の誕生と進展は、物理学や天文学の歴史の中でも数十年に一度あるかないかという、大変なものです。だが、ここまで素晴らしいと少しぐらいケチをつけたくなる科学者がいます。確かに素晴らしい成果だが、あまりに予想通りすぎて面白くないのです。

一般相対性理論はやはり正しい、アインシュタインはやはり偉大だ、というだけでは新しい知見は得られません。太陽からのニュートリノを測ってみたら予想の半分しかなかった、というような予想外のことが起きてくれた方が、研究者は色めき立つものです。

それはどうしてだろう、と考えるところから次の科学の発展が始まるからです。もちろん、重力波天文学はまだ始まったばかりです。いずれ、そのような予想外の展開、例えば一般相対性理論の予想からのズレが検出されるといった驚きのニュースが聞けることを楽しみにしている科学者がいるのです。

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