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重力波 ~アインシュタイン最後の宿題~ |サイエンスZERO

2016年2月11日、宇宙物理学の歴史を変えるビッグニュースが世界を駆け巡りました。アメリカの研究チームが重力波をとらえることに初めて成功したのです。

 

重力波とは、空間の歪みが波となって伝わる現象です。100年前、天才物理学者アインシュタインが一般相対性理論の中で予言したものです。しかし、これまで誰もその存在を証明できず、アインシュタイン最後の宿題と言われてきました。

 

アインシュタイン

 

重力波とは何なのか?

100年前、一般相対性理論が登場しました。アインシュタインはこの中で重力について全く新しい概念を提示しました。その意味は一般相対性理論の方程式に記されています。

 

右辺はエネルギーや物質を表し、左辺は時間と空間のゆがみを表しています。つまり、質量やエネルギーがあると空間がゆがむということです。大きな質量のある天体ほど空間を大きくゆがめます。この歪みこそが重力の源です。

 

重力波はどのように発生するのか?

アインシュタインのいう空間は、弾性があり連続的という性質を持っています。弾性はつまりバネのような性質を持つということ。この弾性があるため、空間は伸びたり縮んだりすることができます。

 

重い天体がやってくると、空間は縮みエネルギーを蓄えます。天体が去ると空間はバネのように元に戻ろうとし、その勢いで振動します。

 

これだけだと空間の一部分の伸び縮みにすぎませんが、空間は連続的でもあります。つまり、繋がっているので跳ね上がりは隣の空間にも伝わります。これが重力の波です。

 

空間は弾性で連続的という2つの特徴から、重力つまり空間のゆがみは波として伝わっていく、これがアインシュタインの考えた重力波です。

 

史上初!重力波を捉えた観測機LIGO

LIGO(ライゴ)は、アメリカ・ワシントン州とルイジアナ州に建設された2つの観測機です。L字型に4kmずつ伸びたトンネルのような装置で重力波を捉えます。内部に設置されたのはレーザー光線が通る真空パイプ。発射されたレーザー光は2方向に分割されます。パイプの先端にあるのは鏡。分割された光は反射鏡ではね返り、合流地点に戻ってきます。

 

通常であれば分割された2つのレーザー光は波がぴったり重なります。すると、レーザー光は打ち消しあい消えてしまいます。ところが、ここに重力波が到達すると変化が表れます。重力波によって空間のゆがみが発生した場合、片方の経路は伸び、もう片方は縮みます。すると2つの波を重ねてもわずかなズレが生じ、きれいに打ち消し合うことができません。このズレが重力波の波形となって検出されるのです。

 

ところが、最初の8年間の観測でLIGOは全く重力波を捉えることができませんでした。そこで、観測精度を上げるために改良工事が行われました。再び試験運転を開始したのは2015年9月12日。すると2日後、重力波がついに姿を現したのです。

 

2015年9月14日、午前9時50分45秒、ルイジアナ州にあるLIGOで重力波と思われる波形が観測されました。時間はわずか0.2秒間。これだけだと地面の振動などノイズの可能性もありますが、その0.007秒後、ワシントン州にあるLIGOでも同じような波形をとらえたのです。重ねてみると特徴はピタリと一致。これだけ遠く離れた場所で同じようなノイズが発生する確率は20万年に1度。このことから捉えた波形は重力波であるということが決定づけられたのです。世紀の観測の瞬間でした。

 

 

0.2秒の波形から読み解かれた重力波の正体

今回観測された重力波が生まれたのは13億年前2つのブラックホールの衝突が原因でした。1つは太陽の36倍、もう1つは29倍の質量を持っています。2つのブラックホールはお互いの重力でだんだんと加速しながら近づいていき、最後は光の速さの半分にまで達して衝突、合体。太陽の62倍の質量を持つブラックホールが生まれました。

 

この衝撃が空間をゆがめ、強い重力波を生み出します。そして、13億年をかけて地球に到達。少しだけ空間をゆがめて通り過ぎていきました。このとき歪んだ空間は原子の大きさの1万分の1程度。このわずかな歪みをLIGOが捉えたのです。

 

そしてアインシュタインの理論によって重力派は解析され、宇宙のはるかかなたで13億年前に起きた壮大な出来事を私たちに伝えてくれたのです。

 

重力波天文学の未来に迫る

日本でも岐阜県神岡町の地下に作られた重力波観測機KAGRA(かぐら)が2016年3月から稼働します。KAGRAは地下に建設されることで観測機の振動を地上の100分の1に軽減。世界でも最高水準の感度を誇ります。この他にも世界中に配置された観測機が同時に重力波を捉えることで重力波の発生した位置がより正確に分かってくるのです。

 

さらに2015年12月には、ヨーロッパの研究機関ESAが宇宙で重力波を捉えるためのテスト機を打ち上げました。振動の全くない宇宙空間であれば、より正確に重力波を捉えられるのではと研究を進めています。重力波天文学という新たな天文学の時代が幕を開けようとしているのです。

 

「サイエンスZERO(ゼロ)」
世紀の観測!重力波
~アインシュタイン最後の宿題~

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