アーカイブから：重力波を感知する魅力的な探求の内側

創立 150 周年を記念して、科学の進歩、理解、革新を定義するのに役立ったポピュラーサイエンスの記事 (成功と失敗の両方) を、現代の文脈も加えて再考します。From the Archivesシリーズ全体をご覧になり、ここで記念すべきすべての記事をご覧ください。

13億年前、2つのブラックホールが衝突した際、その衝撃で太陽3個分のエネルギーが時空構造に放出された。2015年のある月曜日、ワシントン州ハンフォードの人里離れた施設で、研究者たちはその太古の宇宙の衝突が地球を通り過ぎた瞬間を捉えた。研究者たちはその重力波の長さを、ほとんど理解できないほどに小さいもの（陽子の直径の1万^分の1）として音声にマッピングし、歓声を聞き取った。その小さなサウンドトラックは100年以上かけて作られたものだった。

物理学者たちは、1916年にアインシュタインが重力波の存在を予言して以来、重力波（大規模な出来事によって生じる時空のさざ波）を検出する方法を模索してきた。1981年4月の記事で、ポピュラーサイエンス誌の編集者アーサー・フィッシャーは重力波の探索について説明し、それを「科学史上最もエキサイティングなものの1つ」と呼んだ。2015年の重力波を感知したのはレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）だったが、フィッシャーの説明によると、1981年当時は、それぞれが異なる測定技術を追求していた多くの競合する取り組みの1つに過ぎなかった。

フィッシャーが会ってインタビューした多くの科学者の中には、MITの物理学教授（現在は名誉教授）のライナー・ワイス氏やカリフォルニア工科大学のキップ・ソーン氏もいた。ワイス氏は1970年代にレーザー干渉計の設計を考案し、後にソーン氏、バリー・バリッシュ氏とチームを組んでLIGOを建設した（この功績により3人は2017年にノーベル物理学賞を受賞した）。2015年に宇宙で最初の衝撃が観測されて以来、LIGOは90種類の重力波イベントを検出している。

フィッシャーは記事の中で、星震、ガンマ線バースト、中性子星（パルサー）など、時空を揺さぶる原因となっている宇宙のはるか遠くの荒野について描写している。しかし、2015年に自身の装置が最初の重力波を検出した直後、宇宙の乱流を最もよく捉えたのはワイスだった。「星のような怪物が光速で動き、互いに衝突し、時空の形状をある種の洗濯機に変えてしまう」

「重力波への魅惑的な探求」（アーサー・フィッシャー、1981年4月）

科学者がついに今まで見たことのない形のエネルギーを発見すると、天文学に新たな時代が開かれることになる。

宇宙の広大な領域では、大災害は日常茶飯事です。何か重大な出来事が常に起こっています。力尽きた太陽の燃える死、2 つのブラックホールの衝突、中性子星の奥深くでの震えなどです。このような出来事は、膨大なエネルギーを帯びた放射線の奔流を噴出します。そのエネルギーは宇宙を駆け抜け、太陽系を覆い、地球を席巻します…そして誰もそれに気づきません。

しかし、カリフォルニアからカントンまで世界中に散らばる、おそらく20グループほどの小さな実験グループが、いつかは発見しようと決意している。彼らは、現代の技術の限界を超え、自然法則そのものの限界と戦いながら、史上最も感度の高いアンテナを開発している。そして、最終的には、気が狂いそうなほどにとらえどころのないこの現象、つまり重力波を検出できると確信している。

重力波（正式には重力放射）は直接検出されたことはないが、科学界のほぼ全員がその存在を確信している。この確信は、重力波の概念の基盤となっているアルバート・アインシュタインの一般相対性理論に一部由来している。この理論は、現在も検証中であるものの、覆されていない [PS、1979 年 12 月]。カリフォルニア工科大学の天体物理学者キップ・ソーンは、「重力波の存在を疑うような、重力理論の権威ある専門家を私は知らない。唯一、私たちが間違える可能性があるのは、アインシュタインの一般相対性理論が間違っていて、競合する理論もすべて間違っている場合である。なぜなら、それらも重力波を予測しているからである」と述べている。

1916 年、アインシュタインは、物質が適切な方法で加速すると、運動する質量が時空の目に見えない網に波紋を起こし、宇宙の海の各点が通過するときに瞬間的に引っ張られると予測しました。この波紋、つまり重力波はエネルギーを運び、光速で伝わります。

この予測は、多くの点で、アインシュタインの生誕年である 1879 年に亡くなった英国の優秀な物理学者、ジェームズ クラーク マクスウェルの予測と類似しています。マクスウェルは、電荷の加速によって電磁波 (光を含むさまざまな波) が生成され、すべてが一定の速度で移動すると述べました。彼の考えは、同時代の多くの人々から嘲笑されました。しかし、彼の死からわずか 10 年後、ハインリヒ ヘルツが実験室で電波を生成し、検出したことで、彼の正当性が証明されました。

では、なぜアインシュタインの大胆な予測から 60 年以上経った今でも、誰も重力波を観測していないのでしょうか。信じられないほどの障害があるにもかかわらず、物理学者たちはなぜ、科学史上最もエキサイティングなことの 1 つである、現代の聖杯探求とも言える方法で、いまだに重力波を探し求めているのでしょうか。

それを知るために、私は重力波検出器を製作している実験者と、難解な計算を導きとしている理論家を訪ねた。その過程で、私は問題点について、そしてその解決の試みがすでに有用なスピンオフを生み出していることを知った。そして、この探求が成功した場合の究極の見返りについても学んだ。それは、ある物理学者が「宇宙で最も圧倒的な出来事」と呼んだものに初めて到達するための、新しく強力なツールである。

太平洋を越えて吹き渡るキス

重力波検出における根本的な問題は、重力という力は極めて弱く、電磁力よりも約 40 桁も弱いということです。(これは 10 ⁴⁰ 、つまり 1 の後に 40 個のゼロが続く数です。)

この理由と重力波の他の特性により、重力波は物質と非常に弱く相互作用し、その通過はほとんど感知できません。また、電磁気学の双極子放射とは異なり、重力放射は四極子です。

たとえば、銀河の超新星によって生成された重力波が、あなたが今読んでいるページを通過すると、四重極効果によって、まず長さが拡大し、幅が縮小し (またはその逆)、次にその逆になります。しかし、ページに蓄積されるエネルギーの量はごくわずかであるため、寸法の変化は陽子の直径よりも小さくなります。重力波を検出しようとすることは、ビッグサーの波間に立って、太平洋を越えて吹き付けられるキスの音を聞くようなものです。ヘルツのように、地球上で検出可能な波を生成することに関しては、理論家はずっと前にその可能性を否定しました。「確かに、拳を振るたびに重力波が発生します」と、MIT の物理学教授 Rainer Weiss は言います。「しかし、検出できるものはすべて、非常に高速で移動する巨大な物体によって生成されたものでなければなりません。つまり、宇宙での出来事です。」

天体物理学者は、このようなイベントのカタログ全体を作成し、それぞれが異なるエネルギー、異なる特性周波数、異なる発生確率の重力波と関連付けました。それらには、宇宙の始まりとなった「ビッグバン」の想定される連続的な背景重力放射 [PS、1980 年 12 月] や、パルサーや超高密度の物体からなる連星系から放出される規則的な放射パルスなどの周期的なイベントが含まれます。さらに、特異なイベントもあります。球状星団、銀河核、クエーサーでのブラックホールの誕生、中性子星の地震、超新星です。

おそらく、検出の第一候補は、スタンフォード大学の物理学教授ウィリアム・フェアバンクが「宇宙史上最も劇的な出来事」と呼ぶ超新星だろう。太陽のような星は、年をとるにつれて、質量の一部を核エネルギーに変換する。おそらく50億年に1パーセント程度だ。「太陽のような大きな星が崩壊しない唯一の理由は、中心核の非常に高い温度が、重力に耐えるだけの圧力を生み出すからだ」とフェアバンクは説明する。「しかし、燃料の燃焼で冷却するにつれて、重力が、粒子を引き離す電気力に打ち勝ち始める。崩壊はどんどん速くなり、超新星であれば、星の外殻が吹き飛ぶ。最後の1000分の1秒で、中性子星に崩壊し、元の星が太陽の3倍の質量を超えていた場合は、ブラックホールになるかもしれない」。重力波のエネルギーを特徴付ける方法の1つは、それが衝突する物質に誘発する歪みである。質量が所定の長さの寸法を持つ場合、ひずみは、その長さの変化（重力波によって生じる）を長さで割った値に等しくなります。重力波のひずみはごくわずかです。私たちの銀河系で発生する超新星は、地球上でひずみを生じさせ、長さ 100 cm の検出器を原子核の直径の 100 分の 1 に縮ませたり伸ばしたりするかもしれません。（これは 10 ^-15 cm であり、物理学者はひずみを 10 ^-17と分類します。）精力的な実験者たちのおかげで、そのわずかな良心のかけらも感知できる検出器が存在します。

しかし、落とし穴がある。他の銀河の観測に基づくと、どの銀河でもその高密度の中心で超新星爆発が起きるのは、およそ 30 年に 1 回と予想される。これは気が滅入るほど長い間隔だ。私が話を聞いた科学者たちは、このような稀な現象に頼らなければならないのなら、意味のある研究はできないと何度も絶望した。ロチェスター大学のデイビッド・ダグラス教授は私にこう語った。「30 年に 1 回起きるかもしれない現象を検知する実験を構築するのは、あまり満足のいく仕事ではない。大学院生の助手にとって、博士課程のプロジェクトとしてはあまり良いとは言えないし、良いキャリア プロジェクトでもない。運が悪ければ、そうなるかもしれない。」

重力波: 強力な天文学のツール?

我々の銀河系内の出来事に限定せず、もっと遠くの分野に目を向けたらどうなるだろうか。我々の銀河系内の「絶望的に稀な」（ある研究者の言葉）超新星の代わりに、非常に広大な領域、つまり約 2,500 個の銀河があるおとめ座銀河団で超新星を探したらどうなるだろうか。そこでは、数日に 1 回から 1 か月に 1 回程度超新星が出現するはずである。これはジレンマだ^2。おとめ座銀河団は、我々の銀河系の中心よりも約 1,000 倍も遠い。そのため、この銀河団で超新星が出現すると、地球への影響は数百万分の 1 程度（すべての放射エネルギーを支配する反比例の法則によれば、1,000 倍の 1,000）の重力波が放出される。つまり、100 万倍感度の高い検出器を構築するということだ。 「重力波検出ほど感度を大幅に向上させる必要がある科学分野は他にありません」とカリフォルニア工科大学とスコットランドのグラスゴー大学のロナルド・ドレーバー氏は言う。遠く離れた銀河にある超新星を検出しようとするには、原子核の100万分の1の大きさの変位を測定しなければならない。

逆説的だが、この性質こそが、キップ・ソーンが言うように、重力波に「天文学にとって非常に強力なツール」となる能力を与えている。「確かに重力波は重力波検出器を何の障害もなく通過する。しかしそれは、ブラックホールの誕生時に生成された重力波も周囲の物質を何の障害もなく通り抜けられることを意味する」。そして、光もガンマ線も電波もそうすることはできない。超新星爆発の間、私たちは電磁放射線のシャワーを通して爆発殻を見ることができるが、それは最初の大規模な爆縮、つまり重力崩壊から数時間または数日後のことである。崩壊​​の間、中性子星またはブラックホールが形成されるが、重力波（および理論的にはニュートリノ）以外は何も逃げることができない。

「私たちは、少なくとも部分的には、宇宙への電磁気の窓をすべて開きました」とソーン氏は言う。「重力波天文学によって、ブラックホールの誕生と衝突、星の震動、中性子星の崩壊など、他の方法では十分に研究できない魅力的な爆発的現象を観察できる、他に類を見ない新しい窓が開かれるでしょう。これが現代の高エネルギー天体物理学の真髄です。」

しかし、まず、料理本に書いてあるように、重力波を捉えなければなりません。1950 年代まで、誰もその作業が実現可能だとは思っていませんでした。その後、メリーランド大学の物理学者ジョセフ・ウェバーが重力波検出器の構築の問題を考え始め、実際に構築しました。彼がこの分野全体の父であると言っても過言ではありません。1967 年までに、彼と助手は最初の稼働中の重力波検出器を構築しました。これは、外部の振動から可能な限り隔離され、圧電結晶センサーで囲まれた巨大なアルミニウムの棒で、棒の寸法の変化を電気信号に変換します。ウェバーは、この検出器とアルゴンヌの双子の検出器で記録されたいくつかのイベントを報告し、それらが重力波であると結論付けました [PS、1972 年 5 月]。彼の報告は、他の多くの実験者が独自の検出器を構築することを刺激しました。ベル研究所の JA タイソンやロチェスターのデイビッド・ダグラスなどの研究者によって設計されたこれらの検出器は、ウェーバーの先駆的な棒検出器と同じ原理に従っていましたが、感度はより高くなっていました。これらの研究者やその後の研究者はウェーバーの発見を裏付けることができませんでした。実際、ウェーバーの棒が検出できるレベルでは、重力波を検出することは不可能だったと理論家たちは考えています。「ジョー・ウェーバーが間違っていたか、宇宙全体が歪んでいるかのどちらかだ」とある研究者は私に言いました。

現在、3 種類の基本的な重力波検出器が開発されています。1 つは、基本的にウェーバー共振バー アンテナですが、大幅に改良されています。2 つ目はレーザー干渉計、3 つ目はドップラー追跡と呼ばれる宇宙ベースのシステムです。それぞれに利点があり、それぞれに厄介なエンジニアリング上の問題があります。

最も進んでいるのは共鳴棒である。これは主に、最も長く開発が進められてきたためである。共鳴棒は質量が大きいほど良い (重力波への反応が良くなるため)。そしてその価値は、波が当たった後の一定期間の共鳴、つまり「鳴り響き」の質によって決まる。鳴り響きが長いほど、実験者は波の影響をより正確に検出できる。その質は「Q」と呼ばれる値で測定され、Q が高いほど良い。しばらくの間、デビッド・ダグラスとその他の人々 (ソ連の科学者を含む) は、サファイアの水晶球のような非常に Q の高い材料から検出器を作ろうとしてきた。しかし、ダグラスはアルミニウムに戻った。その理由は次のとおりである。非常に高い Q を持つ新しいアルミニウム合金が発見されたこと、サファイアは大きな塊で製造できないこと (彼の検出器の 1 つは 6 トンのアルミニウム棒を使用している)、そして費用も。「60ポンドの純粋なサファイアクリスタルは、約5万ドルかかります」と彼は私に言った。

バーアンテナを開発しているほぼすべての人々と同様に、ダグラス氏も室温検出器を放棄し、絶対零度に限りなく近い温度に冷却した極低温検出器に目を向けた。これには、オーストラリアのパース、東京、モスクワ、ルイジアナ州立大学、ローマのグループ、メリーランド大学のウェーバー氏自身、スタンフォード大学のウィリアム・フェアバンク氏とその同僚が含まれる。

フェアバンク氏は、低温ルートが不可欠である理由を次のように語った。「室温では、バー内の原子のランダムな熱運動は、検出しようとしている変位の 300 倍の大きさです。私たちが求めている感度に近づく唯一の方法は、バーを冷却してその熱ノイズを取り除くことです。」

スタンフォード大学のキャンパスを訪れた際、検出器の 5 トンのアルミニウム棒は、特大の魔法瓶のようなクライオスタットの中に密封されていました。その全体は、フランケンシュタインの怪物を数世紀冷凍保存したい場合に使用できるもののように見えました。また、環境も適していました。廃墟となった飛行船の格納庫だったかもしれない、風通しの悪い巨大なコンクリートの建物です。

このアンテナや同様のアンテナは、超新星放射の特徴である約 1,000 Hz の周波数の重力波に反応するように設計されている。当然ながら、アンテナはその周波数付近の外部振動から可能な限り隔離する必要がある。スタンフォードのグループは、特殊なスプリングでシリンダーを吊り下げることでこれを実現している。このスプリングは、鉄とゴムの棒を交互に重ねたアイソレーション スタックと呼ばれる構造になっている。「そうでなければ、私たちの感度では、この検出器は立派な地震計になってしまうでしょう。カリフォルニアでは絶対に避けたいことです」とフェアバンク氏は言う。スタンフォードのサスペンション システムは外部のノイズを 10 度減衰させるので、金庫を近くに落としても検出器を乱すことはない。

LSU では、スタンフォード大学のアンテナに非常によく似たアンテナ (最終的には、重力波の一致を探すローマ-パース-バトンルージュ-スタンフォードの軸の一部となる予定) を製作しているウィリアム ハミルトンが、地震の隔離に向けて別の道を歩んでいる。装置の温度が非常に低いため、バーを磁気的に浮上させることができる。バーはニオブ-スズ合金の薄いフィルムでコーティングされており、絶対零度近くで超伝導になる材料である。バーの下に電磁石を置くと、コーティングを流れる永久電流が磁場と相互作用し、バーは文字通り空中に浮かぶ。

超伝導は、あらゆる工学上の問題の中でも最も困難な問題の 1 つである、これらのアンテナの微小な変位を感知し、増幅して測定できる有用な電圧に変換できるトランスデューサーの設計の鍵でもあります。「そのようなものは買うことはできません」と David Douglass 氏は言います。「自分で作らなければならず、最先端の技術を超える必要があります。」Douglass 氏と Fairbank 氏はどちらも、洗練された設計により非常に感度の高い超伝導デバイスを使用しています。これは、当初使用されていた圧電結晶よりも桁違いに高い感度ですが、そのアプローチは細部で異なります。

超伝導装置により、いつか重力波天文学者は「量子非破壊」と呼ばれる手品を行えるようになるかもしれない。簡単に言えば、これは、変位がますます小さくなるにつれて量子力学の法則によって課せられる、すべての共鳴検出器の基本的限界を回避することを意味する。バーアンテナがおとめ座銀河団の超新星からの重力波を検出できるほどの感度を持つようになるには、この問題に立ち向かわなければならないだろう。

代替案: レーザー干渉計

「レーザー検出器に目を向ける理由の 1 つは、量子限界の問題を回避するためです」とロナルド・ドレーバーは言います。「より広い空間領域で測定を行えるため、実質的にはるかに大きな信号を観測できます。バーアンテナのように微細な変化を探す必要はありません。」

レーザー干渉計は、アルゴンイオンレーザービームを 2 つのミラーの間で何度も往復させます。(この方式の一般的なアプローチは、92 ページの図に示されています。) 重力波がミラー間で波打つと、光路の長さが変わり、その結果、光検出器に現れる干渉パターンが変わります。このような検出器は、この分野の先駆者である Rainer Weiss が設計した MIT のもの、ドイツのマックスプランク天体物理学研究所のもの、グラスゴー大学、カリフォルニア工科大学のものなど、数多くが計画および構築段階にあります。

「グラスゴーのものは 10 メートルのアームを持っています」とドレーバー氏は私に語った。「現在稼働中です。カリフォルニア工科大学で作業中のものも 10 メートルのアームを持っていますが、建物の準備が整い次第 40 メートルに延長される予定です。これは、1 キロメートルから数キロメートルの長さの、はるかに大きなバージョンのプロトタイプとして機能します。」

もちろん、レーザー干渉計にも工学上の問題があり、その問題は装置が大きくなるにつれて深刻化する。レーザー光線は真空パイプを通って伝わる必要があり、長さ 1 キロメートルのパイプを隔離するのは簡単ではない。しかし、ドレーバーはそれができると確信している。「鉱山か砂漠に設置するかもしれません」と彼は言う。この装置は 1986 年までに完成する可能性があり、最終的にはおとめ座銀河団の超新星を検出できる可能性があるとドレーバーは考えている。

このようなレーザー検出器のもう 1 つの利点は、共鳴アンテナのように狭い周波数範囲に制限されず、数ヘルツから数千ヘルツの広い周波数帯域に感度があることです。したがって、超新星からの重力波よりも低い周波数を持つ大規模なブラックホール イベントを検出できます。連星系からの重力波など、はるかに低い周波数の重力波を検出するには、非常に長いベースラインが必要です。「約 15 年後には、宇宙にある 10 キロメートルのフレームなどを使用する、大規模な宇宙ベースのレーザー システムが必要になります。そうすれば、すべての地震ノイズを回避できます」と Rainer Weiss 氏は言います。

3 つ目の種類の重力波検出器は、ある意味では、すでに宇宙に存在しています。これは 20 年にわたって宇宙船のナビゲーションに使用されてきました。これはドップラー追跡と呼ばれ、理論的には非常に簡単です。カリフォルニア州パサデナのジェット推進研究所で宇宙物理学および天体物理学のプログラム リーダーを務めるリチャード デイビス氏は、その仕組みを次のように説明しています。「地球から宇宙船に無線信号を送信すると、宇宙船に搭載されたトランスポンダーがその信号を送り返します。重力波が太陽系を通過すると、両者の距離が変わり、送信した信号の周波数と返ってきた信号の周波数を比較すると、その差がわかります。これがドップラー シフトです。ただし、このシフトに対する重力波の寄与は、宇宙船自体の速度の寄与に比べればごくわずかです。

「我々は、惑星間宇宙船と、その追跡に使われるディープ・スペース・ネットを使って、おそらく1000分の1ヘルツという非常に低い周波数の重力波を検出したいと考えています。このような波は、質量が太陽100万個から1000万個分の崩壊系から、あるいは数時間で互いの周りを回る二重星から放射されている可能性があります。」

重力波実験は国際太陽極地探査ミッションのために計画されていた。しかし、米国科学アカデミー宇宙科学委員会の重力物理学委員会の委員長を務めるMITのアーウィン・シャピロ氏によると、NASAは予算削減のためこの実験を中止したという。

これらの方法のうちどれが重力波の最初の直接的な証拠をもたらすのでしょうか? そして、その最初の接触はいつ起こるのでしょうか? 誰にも本当のところはわかりませんし、重力波の探求者自身も主張や予測をすることに非常に慎重です。しかし、少なくとも 10 年以内のいつかはあり得るようです。

一方、重力波研究は予想外の成果を上げている。「重力波研究は量子エレクトロニクスのささやかな新章を切り開きました」とキップ・ソーンは言う。「重力波研究は現代の技術の限界を激しく押し広げているため、他の分野にも影響を及ぼす新しい技術を発明しています。たとえば、レーザー周波数をこれまで以上に安定させる新しい方法などです。これは物理学と化学研究の両方に役立つでしょう。」

しかし、長い目で見れば、重力波の探査は、すべての科学者、そして全人類の基本的な欲求、つまり、これまでよりも少し先を見たい、少しだけ理解したいという欲求によって推進されるのです。

重力波の存在を示す2つの間接的な証拠

重力波の存在を示す最初の証拠は、重力波を直接感知することではなく、連星パルサーと呼ばれる奇妙な天体の挙動に対する重力波の影響を観察することによって得られます。パルサーは高速で回転する中性子星であると考えられており、周期的なビープ音で強力な電波信号を発します。しかし、1974年にマサチューセッツ大学の天文学者チームが世界最大の電波望遠鏡（プエルトリコのアレシボ）で発見したパルサーPSR 1913+16はユニークです。そのビープ音は約8時間にわたって規則的なシーケンスで減速と加速を繰り返します。このことから、ジョセフ・テイラー率いる天文学者は、パルサーが別の非常に重い物体、おそらく別の中性子星の周りを高速で周回していると推測しました。

アインシュタインの一般相対性理論によれば、この連星系は相当量の重力波を生成し、放射されるエネルギーはゆっくりと連星系の軌道から取り出され、超高密度の星が互いに近づくにつれて周期が徐々に短くなると予測されている。アインシュタインの方程式によれば、PSR 1913+ 16 のようなパルサーでは、1 年に 1 万分の 1 秒ずつ減少すると予測されている。そして 4 年間の観測を経て、テイラーのチームは 1978 年後半、電波信号の超高精度測定によってほぼその量が得られたと発表した。この一致の近さは、間接的ではあるが重力波の存在を示す良い証拠となるだけでなく、競合するいくつかの理論に対してアインシュタインの重力理論をさらに強化するものでもある。

テイラー氏が「もともとは偶然の発見だった」と語るように、天文学者たちは相対性理論を検証するのに理想的な状況にあった。それは、非常に正確な速度で時を刻み、毎秒約300キロメートルという高速で移動する時計（パルサー）だ。「まるで、この測定を行うためだけに自分たちでシステムを設計し、そこに置いたかのようだ」

重力波が実際に存在するというもう一つの間接的な兆候は、最近になって、より劇的に現れました。それは、天文学者を今も動揺させているある出来事から生じたものです。1979 年 3 月 5 日、グリニッジ時間でちょうど 15 時間 52 分 5 秒に、宇宙のどこかから、前例のない強度のガンマ線バーストが太陽系を貫きました。このガンマ線バーストは、太陽系全体に散らばる 9 機のさまざまな宇宙船に搭載された検出器に、巨大な点滅を映し出しました。この宇宙船は、事実上、米国、フランス、西ドイツ、ソ連が維持する国際ネットワークを形成しています。

一生に一度のイベント

「3月5日のガンマ線現象は異常でした」とNASAゴダード宇宙飛行センターのトーマス・クライン氏は言う。同氏は同僚のルーベン・ラマティ氏や米国、フランス、ロシアの天体物理学者らとともに、それ以来ずっとこの現象の分析を続けている。「この10年間に100回も観測されたガンマ線バーストとは違います。科学者の生涯に一度しか見られないような、初めてで唯一の現象です」

ガンマ線の急増は宇宙空間に離れた多数の衛星によって検出されたため、天文学者はその発生源の位置を三角測量し、目に見える物体と特定することができた。これは初めての快挙だ。その物体は、およそ15万光年離れた近隣の銀河である大マゼラン雲（LMC）にあるN49と名付けられた超新星残骸だった。

ラマティ、クライン、および同僚らは、ガンマ線バーストの起源は震える中性子星であると仮定している。中性子星は超新星爆発の残骸であると多くの理論家が考える超高密度超小型天体である。「中性子星は雪崩に似た変化を起こす可能性があると私たちは考えています」とクラインは私に語った。「雪が山に降り積もると、滑り台ができます。

同様に、中性子星にも塵やその他の物質が集まり、その重さに耐えられなくなります。すると、地殻か核のどちらかで星震が起こり、星はおよそ 3,000 Hz の周波数で揺れます。この音は、大気圏で耳を澄ませば聞こえます。直径わずか 5 マイルから 10 マイルの星の表面は、1 秒間に数千回、数フィート上下に揺れます。その磁気圏が揺れ、間接的にガンマ線が発生します。しかし、これは私たちのモデルでは、中性子星の振動によって生じる重力波の副次的なものです。

「これらを検出できるでしょうか？答えはノーです。結局のところ、これは星の最初の崩壊、つまり超新星爆発から数千年後の、一種の余波にすぎません。大地震の後の震えのようなもので、おそらく大きさは地震の1パーセント程度でしょう。」

それでもクラインは、ガンマ線バーストの時に「オンライン」だった可能性のある米国の重力波実験者全員に電話をかけ、何かを見たかどうか尋ねた。彼ら全員の中で、3月のその日にアンテナを稼働させていたのはジョセフ・ウェーバーだけだったが、彼は何も観測していなかった。

衛星に搭載されたガンマ線検出器は、星震モデルで予測された 3,000 Hz の周波数を感知できなかった。もし感知できていたなら、それは重力放射の存在と「非常に直接的なつながり」になっていただろうとクライン氏は言う。

しかし、星震モデルは別の予測を立てている。発生した重力波はガンマ線よりもはるかに大きなエネルギーを運び去り、星の振動を急速に消し去るはずだ。「いいことに、この現象で予測された重力波の減衰時間は、我々の観測と正確に一致している。バーストの主要部分はわずか 15 分の 1 秒しか続かなかったが、これは我々のモデルから計算したものだ。つまり、我々は今回で 2 度目の間接的な重力波の存在の証拠を手にしたことになる。しかし、間接的な検証にはどれも問題がある。直接的な証拠に取って代わることはできないのだ」とゴダード宇宙望遠鏡のルーベン・ラマティ氏は言う。

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