重力波検出器は3台の方が2台よりはるかに優れている

およそ 17 億 6000 万年前、2 つのブラックホールが衝突し、太陽の 53 倍の重さを持つ新しい天体が誕生しました。その過程で、ブラックホールは時空構造にさざ波を作りました。これらの重力波は、GW170814 と名付けられたこのイベントの現場から光速で移動し、8 月 14 日に地球に到達しました。重力波が地球を通過したとき、2 つの LIGO 検出器と、初めてイタリアの Virgo 観測所が信号をキャッチしました。

LIGO（レーザー干渉計重力波観測所）は、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードにある2台の検出器からなる観測装置です。昨年、LIGOは重力波を初めて検出したと発表しました。これはアルバート・アインシュタインの予言を立証する大きな進歩でした。アインシュタインは一般相対性理論において、時空をブラックホールのような大質量物体によって形が変えられる物理的実体と説明しました。これらの物体がエネルギー変化を起こすと（たとえば、物体2つが衝突したり、ブラックホールが別の大質量物体を飲み込んだり、恒星が超新星爆発を起こしたり）、池に石を投げ込んだときに見える隆起のように時空にさざ波ができます。ブラックホールがどのように形成されるか、そして一般相対性理論がどの程度当てはまるかについて詳しく知るには、これらの波を観測する必要があります。ブラックホールは光を放射しないため、その動作を観測する方法が他にないからです。

LIGO は、最初の発見以来、より多くの重力波信号を捉えてきました。そして、より多くの重力波信号が観測されるほど、一般の人々にとって、それぞれの発表はそれほど興味深いものではないように思われるかもしれません。なぜ私たちはこの新しい信号に関心を持つべきなのでしょうか? 新しい Virgo 検出器が探索に加わったことで、重力波をスキャンする場所が 3 か所になり、それぞれの観測に重要な詳細が追加されることになります。

3 つ目の観測所は各信号の信頼性を高め、誤報の確率を 10 分の 1 に減らします。また、一般相対性理論で予測される特性である波の偏光について、科学者にさらに詳しい情報を提供します。測定値がアインシュタインの計算に反する場合、科学者は理論を洗練させて精度を高めるか、完全に置き換えることができます。

「私たちは基本的に、一般相対性理論を破れるかどうかを調べようとしています。なぜなら、それが私たちの理解を進化させる方法だからです」と、ジョージア工科大学の教授でLIGO科学コラボレーションの副スポークスマンであるローラ・カドナティ氏は言う。「側面が一致しない場合は、新しい理論が見つかります。」

最後に、3 つの観測所は 2 つよりもずっと正確に電波の発信源を特定できます。Google マップで最寄りのコーヒー ショップまで案内する GPS 信号について考えてみましょう。この信号は、衛星ネットワーク全体を使用して携帯電話に信号を送信し、各信号が到達するまでの時間を測定し、その異なる到達時間に基づいて、地球表面上の正確な位置を計算します。GPS に 2 つの衛星しか搭載されていなかった場合、広い領域を指し示して、その領域内のどこかにいるとしか言えません。衛星の数が増えるほど、その領域は狭くなります。

重力波に関しても、科学者たちは同様の作業を行っている。つまり、信号が各検出器に到達するまでにかかった時間に基づいて、波の原因となった事象が発生した地域を特定するのだ。今回の場合、信号は最初にリビングストンの地点に到達し、その約 8 ミリ秒後にハンフォードに届き、その 6 ミリ秒後にイタリアのピサ近郊のヴァーゴにようやく到達した。

最終的に、彼らは探索範囲を 60 平方度の宇宙の帯状に絞り込んだ。これは依然として広大な領域である (月は私たちの空の 0.2 平方度を占めるだけである) が、2 つの検出器で検出できる範囲の 10 分の 1 に過ぎない。結果はPhysical Review Lettersに掲載される予定で、現在は LIGO の Web サイトで閲覧できる。

重力波観測所がさらに増えるにつれ、この場所は縮小し続けるかもしれない。日本は現在、KAGRAと呼ばれる地下検出器の建設に取り組んでおり、インドはLIGO検出器の正確なレプリカの建設を目指している。

「2020年代には、5つの検出器が連携して稼働するようになるかもしれません」とカドナティ氏は言う。「それが計画です。」

宇宙のどこで波動生成イベントが発生したかを正確に知ることで、天文学者はニュートリノ、電波、X線などを検出する機器など、他の種類の望遠鏡をその領域に向け、何が見えるかを調べることができます。ブラックホールは光を放出しませんが、中性子星などの物体は光を放出します。中性子星は都市ほどの大きさで、太陽よりも質量が大きいため、光を放出します。そのため、中性子星が崩壊するか、ブラックホールに飲み込まれると、このイベントによって重力波と他の信号の両方が生成されます。

この最新の研究で取り上げられているブラックホールの合体は、いわゆるマルチメッセンジャー観測の対象ではないが、将来的には可能かもしれないことを示している。「この一つの出来事は、すべて同じ発生源から来る重力波、電磁波、ニュートリノのマルチメッセンジャー観測の本当の可能性への扉を開いた」とカドナティ氏は言う。「それは物体自体の物理的性質を理解する手がかりを与えてくれるだろう。」

新しい観測所が稼働する前から、LIGO と Virgo の科学者たちは既存の装置の感度向上に全力で取り組んでいる。感度が高まれば、重力波検出器は宇宙のより深いところから発生するより微弱な信号を拾うことができる。観測のたびに、科学者たちはブラックホールや中性子星の統計を新たに追加し、巨大な宇宙物体がどのように形成されるかという図にパズルのピースをもう 1 つ加えることになる。