ESAは重力波を研究するために三角形の衛星を宇宙に送り込む予定

3 つの衛星が正確に三角形に配置され、互いにレーザー ビームを発射する様子は、まさに SF のようです。しかし、欧州宇宙機関 (ESA) は、2035 年までにこれを現実のものにする予定です。

レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）として知られるこのプロジェクトは、有名な重力波発見実験LIGOに似ているが、地下トンネルではなく宇宙で行われる。ESAが主導するこのプロジェクトは、NASAおよび科学者のコンソーシアムとの共同作業である。ESAは最近、ミッションチームに宇宙船の建造を2025年1月に開始することを正式に承認し、打ち上げは10年後に予定されている。マックスプランク研究所の天体物理学者サラ・パツコフスキー氏など、このミッションに携わる天体物理学者たちは、このニュースに大喜びし、ミッションの採用を「やりがいのある」そして「とてもエキサイティングな」と表現した。

「LISA は、これまで未踏の重力波の領域」、つまり時空の構造のさざ波に敏感になるでしょう、とアドラー天文館の天体物理学者で LIGO 共同研究員のマイケル・ゼヴィン氏は説明する。重力波は、ブラックホールの衝突、巨大な超新星爆発、さらには宇宙の初期の瞬間の物理的現象を明らかにする。LISA の新しい視点は、「X 線や赤外線など、可視光線以外の光で宇宙を初めて観測したのと似ており、これにより膨大な量の科学、発見、宇宙の理解が可能になった」と同氏は付け加える。

2016 年に重力波が初めて検出されて以来、天文学者たちはこの新しい窓を通して熱心に宇宙を探究してきました。私たちは、2 つのブラックホールが互いに螺旋状に衝突する最後の瞬間を聞き、宇宙の爆発からの光と重力波を同時に観測することで、超新星やガンマ線バーストなど、宇宙で最もエネルギーの高い現象がどのように起こるかを知りました。

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LISA と LIGO の共通語は、実験の設定を表す「レーザー干渉計」です。これらのプロジェクトは、重力波が波紋のように広がるにつれて、2 つの物体間の距離がわずかに変化する様子を観察します。この観測は 2 本の長いアームで行われます。LIGO の場合は、それぞれ 2.5 マイルの長さの 2 つの大きなトンネルです。これらのトンネルには、レーザー光が各アームを伝わり、鏡で跳ね返る巨大な真空チャンバー チューブがあります。光が中央で再結合する場所では、通過する重力波のためにレーザーが 1 つのアームでより遠くまで移動しなければならない場合、見え方が異なります。

しかし、地上での実験では、検出できる重力波の種類が限られています。重力波の場合、さざ波に気づくには LIGO のような長いトンネルが必要で、腕が長いほど、検出できる波も長くなります。LIGO のような地下検出器は、ブラックホールや中性子星が衝突する直前の数ミリ秒から生じる時空の非常に高い周波数の振動である、最も短い重力波を検出するのに最適です。これは、地球が検出器を混乱させる可能性のある活動で非常に賑わっていることが一因です。「地震、車、海の波、さらには検出器の上を通過する雲」がノイズを生み出し、天文学者が宇宙の低周波の響きを聞くのを妨げていると、フロリダ大学精密宇宙システム研究所の LISA 電荷管理デバイスの科学者であるサイモン・バークは述べています。

地上の検出器は実験の規模が限られている。地球よりも大きい建物、あるいはいくつかの州よりも大きい建物を作ることは不可能で、そのため最短の重力波しか測定できない。一方、NANOGrav のようなパルサータイミングアレイは、パルサーと呼ばれる死んだ星の間の広大な距離を測定するため、巨大な超大質量ブラックホールから発生する最低周波数しか聞き取れない。その間のすべてには、LISA が必要だ。

「これまで私たちが聞いてきたのは、時空の音のごく狭い範囲だけです」とゼヴィン氏は説明する。「地上の検出器は、重力波交響曲のバイオリンの音を聞いてきました。パルサータイミングアレイは最近、宇宙全体の超大質量ブラックホールからのベースセクションを聞く証拠を発表しました。LISAは宇宙初の重力波機器となり、オーケストラのビオラセクションとチェロセクションの2つの領域の間の周波数を聞くことになります。」

LISA は 3 機の宇宙船から構成され、各宇宙船には金とプラチナの固体立方体が収められ、その間をレーザーが巡回して重力波による変化を観測する。この構想には驚くほどの精度が求められる。宇宙船は超安定で、試験対象質量に影響を及ぼすのは時空の動きのみで、わずか数十億分の 1 ミリメートルの波紋を測定できる必要がある。また、宇宙船同士の距離は「太陽の直径よりも長い」とバーク氏は言う。

この技術により、天文学者は天の川銀河の連星の衝突を追跡し、銀河の中心に潜む最も巨大なブラックホールの周囲の重力をマッピングし、「アインシュタインの予測からの逸脱が見られるかもしれない」ほどの極限環境で相対性理論をテストすることができるようになると、バーク氏は言う。科学者たちはまた、LISA が天文学における長年の疑問「超大質量ブラックホールはどのようにしてその巨大なサイズに成長するのか」の解決に役立つことを期待している。この今後の実験により、ついに中間質量ブラックホールと呼ばれるブラックホールを観測できるようになる。ゼヴィン氏によると、このブラックホールは太陽の数千倍の質量があり、超大質量化への重要なステップとなる可能性がある。

ミシシッピ大学の重力波天文学者、スミート・クルカルニ氏も、地球上の我々にとってこの瞬間がいかに重大であるかを指摘している。「LISAが近い将来実際に飛行するという確認は、物理学者、天文学者、エンジニアの全世代にとって、非常に多くの新たな研究機会と克服すべき課題をもたらすでしょう。」