重力波は5年以内に宇宙の危機を解決するかもしれない、あるいは物理学を根底から揺るがすかもしれない

宇宙学者ダニエル・ホルツが2017年8月17日に香港から飛び立ったとき、彼の頭の中には、宇宙の振動がいつの日か宇宙の大きさと年齢に関する進行中の論争に決着をつけるだろうという希望など、先週講義したアイデアが渦巻いていた。しかし、時間がかかることはわかっていた。存在する最も密度の高い2つの物体がぶつかり合い、地球上でその振動を感じるほど宇宙を揺さぶる時間、その乱れの場所を特定する時間、そして衝突に伴う光の爆発が再び暗闇に消える前に望遠鏡を衝突地点に向ける時間。

前日の最後の講義でホルツ氏は聴衆に対し、楽観的に見ても、こうした中性子星の衝突による重力波と光の同時観測は約 10 年先だと語っていた。レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) の共同研究ではすでにブラックホールの合体が検出されており、Virgo 干渉計もその 2 週間前にイタリアで稼働を開始したばかりだったので、この取り組みは順調に進んでいた。しかし、シカゴ大学に勤務するホルツ氏はイリノイに戻ったとき、未来が早く到来したことを知った。近くにある 2 つの巨星の衝突によって引き起こされた重力衝撃波は、彼が飛行中に彼の乗った飛行機、そして地球全体に波紋を広げており、世界中の天文台が急いで光学観測を実施しようとしていた。

「着陸すると、携帯電話が爆発しました。すぐに接続し、ノートパソコンの前に座って仕事をし始めました」とホルツ氏は回想する。「あれは人生で最も素晴らしい経験でした」着陸から12時間後、彼は宇宙論で最も論争の的となっている数字、つまり宇宙の膨張速度について大まかな計算をしました。たった1つのデータポイントでは、13年間夢見てきた決定的な測定は得られませんでしたが、ついにプロジェクトが実現可能であることがわかりました。そして今、さらに計算を行った後、彼は新たな予測を持って戻ってきました。ネイチャー誌に最近掲載された論文によると、LIGO共同研究は5年以内に数十年にわたる論争に決着をつけることができるかもしれないとのことです。

会話は、宇宙はどれくらいの速さで膨張しているのか、という1つの質問を中心に展開します。ハッブル定数として知られるその答えを見つけることは、理論的には簡単です。まず、遠ざかる物体、通常は特定の種類の死を迎えている星から始めます。これらの「タイプ1a超新星」は常に同じように爆発するため、研究者は明るさに基づいてその距離を推測できます。ハッブル定数を計算するには、爆発が遠ざかる速度も知る必要があります。これは、光がどれだけ引き伸ばされているかの尺度である色を見ることでわかります。研究者は、ビッグバン直後に残された古代の光、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の情報を使って同様のことをすることもできます。膨張速度がわかれば、宇宙の正確な大きさと年齢を逆算したり、未来の軌道を見るために前進したりできます。

問題は、現在の 2 つの計算で異なる結果が得られることです。

超新星法（1月現在、1メガパーセクあたり毎秒73.5キロメートル）とCMB法（6月現在、67.4キロメートル）の最新の推定値は、約9パーセント異なります。この食い違いは、実際には測定が非常に難しいため、当初この分野では大きな懸念を引き起こしませんでした。遠くにある大きな爆発は、近くにある弱い爆発のように見えるため、超新星までの距離を見つけるには、「宇宙距離ラダー」に依存します。これは、異なる距離、つまり「段」にある3種類の物体を関連付ける複雑な手法です。天文学者はまず、基本的な幾何学を使用して、私たちの銀河系の裏庭にある明滅する星を調べ、次にその知識を遠くの銀河にある同様に振る舞う星に適用して、そこで起こっている超新星を読み取ります。「彼らはさまざまな方法で非常に慎重です」とホルツは言います。「しかし、そこには多くのソーセージが含まれています。」

CMB の研究には、機械は少なく、仮定は多い。背景放射は、宇宙が膨張し始めた初期の記録を保存しており、それを現在に当てはめるには、宇宙学者は、重力、物質、暗黒エネルギー、暗黒物質が 130 億年の間に何をしてきたかについて知っていると思われるすべての情報を利用しなければならない。どちらの方法も、欠陥がいくつあってもうまくいかなかったが、各陣営の天体物理学者が何度も計算を検証しても、2 つの推定値は一致しなかった。現在、宇宙論コミュニティが信じられないほどの統計的不運に見舞われた可能性は、1,000 分の 1 に迫っている。

「今では『わあ、これは単なる偶然ではないだろう』と思うところまで来ています」と、超新星法に取り組んでいるジョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者アダム・リース氏は言う。「何か興味深いことが起きているのです。宇宙について私たちが理解していない何かです」

ホルツは、重力波が裁定者になるかもしれないという考えに自分のキャリアを賭けている。この考えは、アメリカの物理学者バーナード・シュッツが1986年に発表した推測的な論文に端を発しており、別の種類の死んだ星が超新星に代わる、宇宙の距離を測るより明確な基準になるかもしれないというものだ。爆発後、ブラックホールになるだけの力を持たない巨大な星は、中性子星に崩壊する。中性子星は、原子さえも押しつぶされるほどの密度の粒子の塊である。この星の死骸が2つ衝突すると、その衝撃で重力波と呼ばれる波紋が引き起こされる。

これらの波は宇宙そのもののうねりなので、邪魔するものは何もありません。塵やガスの雲に邪魔されることなく、衝突現場から地球に到達するまで波は広がり、そこで科学界は 3 つの L 字型の検出器 (さらに追加予定) を操作して波を捉えます。波が地球を通過すると、地球は軽く圧迫されます。各 L 字型の片方の腕はもう片方の腕よりも陽子 1 個分短くなり、装置が世界中の物理学者や天文学者に通知します。一般相対性理論の厳密な方程式を使用して、研究者はほとんど計算や仮定をせずに衝突地点までの距離を正確に測定できます。はしごを登ったり粒子を数えたりする必要はありません。

ホルツ氏は2005年に理論を改良し、中性子星の衝突による光を捉え、波を感知することで、重力波の距離測定を補完する速度情報が得られると示唆し、LIGOに参加してその取り組みの先頭に立った。天文学のデータでは中性子星の合体は極めて稀にしか起こらないと予測されていたため、同僚の多くはそんなことはあり得ないと言ったが、8月17日、彼が飛行機で帰国しようとしていたちょうどその時、すべてのピースが揃ったと彼は回想する。

このイベントのハッブル定数は、従来の2つの値のちょうど中間の、非常に大まかな70となったが、最も極端な超新星やCMBの推定値でさえ不確実性にとらわれている。この矛盾を解決するには、この起こり得る誤差を2～3％に縮小する必要があり、それには昨年観測されたタイプの衝突が30～50回必要だとホルツ氏は最近の論文で計算している。LIGOの感度の向上と中性子星の合体の想定される速度に基づき、彼は5年以内にハッブル定数の候補2つのうちどちらかを決めるのに十分なデータが得られると予想している。この研究には関わっていないリース氏は、重力波がもっともらしくて刺激的な前進の道筋を提供することに同意しているが、合体がどれほど頻繁に見つかるかを推測するのは難しいと指摘する。「もしかしたら、合体の発生は速まるかもしれない」とリース氏は言う。「しかし、10倍遅いとしたら、50年も待ちたくはない」

ホルツ氏は、一度起こった出来事がどのくらいの頻度で起こるかを推測するのは難しいと認めているが、計算が正しければ楽観視できる理由があると述べている。稀な出来事を数える一般的な統計ツールに基づいた彼のモデルは、2026年までに30～400の合体現象の検出を予測している。これらの結果のいずれでもハッブル定数の不確実性が3％未満に下がると予想しており、50年も待つ必要はないはずだ。

もし重力波によって宇宙の膨張を決定的に測定できるとしたら、3つの結果が考えられます。LIGO のデータが CMB 法を裏付ける可能性がある場合、宇宙のはしごは超新星に正確には到達できなかったことになります。リース氏は、6 つの独立した較正方法がすべてこれほどまでに失敗したのは「エラーの共謀」でしか説明できないと述べ、このケースを何度も雷に打たれたようなものだと例えています。

ホルツ氏とリース氏はともに、中性子星が超新星の計算を裏付ければ、宇宙が誕生してから現在に至るまでの進化に関する誤った仮定が明らかになるので、はるかに興味深いと述べている。これは、新しい物理学の大きな兆候となることが大いに期待されている。重力は私たちが予想するのとは違った働きをしたかもしれないし、宇宙論の計算から抜け落ちている未発見の粒子があるかもしれないとホルツ氏は推測している。

あるいは、LIGO がハッブル定数について、超新星と CMB の両方によって設定された範囲外のまったく異なる測定値を返す可能性もあります。この結果は悪夢のシナリオを生み出し、宇宙論を根底から揺るがすことになります。「そうなれば、測定を行う私たちの能力すべてに疑問が投げかけられます」とリース氏は言います。「私たちがそのような状況に陥っていないことを願っています。」

今のところ、ホルツ氏は自分の賭けが成功しつつあることに興奮している。昨年、彼は最初のデータポイントがまだ10年先だと思っていたが、数ヶ月後にはLIGOが2月にオンラインに戻るときに2番目のデータポイントを待つことになる。「私はこのアイデアに取り組んで発展させるのに何年も費やしてきた」とホルツ氏は言う。「そして半日も経たないうちに、それが私の目の前で展開したのだ。」