重力波はブラックホールよりもさらにクールなものを見せてくれた

人類が初めて、1億3000万光年離れた場所で起きた中性子星の衝突という同じ出来事からの光と重力波を観測した。レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の事前警告のおかげで、南極大陸を含む地球上のすべての大陸の約70の観測所が合体を見るためにチャンネルを合わせた。この「マルチメッセンジャー」イベントに基づいて、現在、何千人もの科学者が中性子星の行動や金やウランなどの元素の起源について画期的な発見をしている。

ブラックホールのような非常に重い物体が衝突すると、水たまりに石を投げ入れると波紋が生じるのと同じように、時空構造を変形させるほどのエネルギーが放出される。ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンにある LIGO の 2 つの検出器は、こうした波動信号を監視しており、すでにブラックホールの衝突を数回検出している。これは今年のノーベル賞に値する成果だ。最近では、イタリアの Virgo 検出器も重力波を検知し始めた。

8月17日、LIGOはこれまで検出したどの信号とも異なる、GW170817と名付けられた信号を受信した。研究者らは、Physical Review Letters誌に全結果を発表した。ブラックホールの合体により限られた周波数で短いチャープ音が発生していたが、この信号は100秒間続き、全周波数範囲に広がった。科学者らは、GW170817を発生させた物体はブラックホールよりもはるかに小さく、中性子星に違いないことを認識した。

中性子星とは何ですか？

中性子星の重さは太陽よりわずかに重いが、その質量を直径 12 マイル未満 (マンハッタンの長さより短い) の物体に詰め込んでいる。中性子星は非常に密度が高いため (小さじ 1 杯の中性子星の重さは約 60 億トン)、中性子星の物質は地球上のあらゆる物質を構成するおなじみの原子とは似ていない。代わりに、中性子星には原子核に通常見られる粒子、つまり密集した中性子の群れ (名前の由来) と少量の陽子が混ざった粒子が含まれている。

ブラックホールと違い、中性子星は衝突すると目に見える光景を作り出す。理論家たちは、中性子星がガンマ線のジェットを噴射し、光る物質を宇宙に投げ出すと予測している。そのため、LIGO が GW170817 を感知すると、研究者たちは世界中の天文学者に空のスキャンを開始するよう警告した。Virgo のおかげで、研究者たちは天文台に大まかな観測場所を伝えることもできた。各検出器に到達した信号は、わずかに異なる強度を持ち、わずかに異なる時間に到着したため、研究者たちはこれらの差異を分析して、波が発生したはずの宇宙の範囲を絞り込むことができた。それは、地球の南半球から見える 30 平方度の領域だった。

NASA のフェルミ宇宙望遠鏡は、ガンマ線の爆発を捉えた。チリの光学望遠鏡は、溶融物質の噴出を伴う合体を捉え、研究者らは中性子星が衝突した銀河 NGC4993 を正確に特定することができた。X 線望遠鏡、電波望遠鏡、赤外線および紫外線望遠鏡、さらには南極のニュートリノ検出器まで、南半球を観測できるほぼすべての天文台がこの合体を捉えようとした。

「これほど多くの望遠鏡でこれほど綿密に監視された出来事はおそらくかつてなかっただろう」とコロンビア大学の天体物理学者ブライアン・メッツガー氏はポピュラーサイエンス誌に語った。

多種多様な観測者が空を観測することで、重力波天文学の最も価値ある約束の 1 つであるマルチメッセンジャー イベントが実現します。重力波、ガンマ線、全電磁スペクトルを通じて中性子星の合体を観測することで、研究者たちはすでに中性子星や宇宙の多くの元素がどのように形成されたかについて画期的な発見をしています。データの分析が続けば、さらに多くの論文が発表されることでしょう。

「私たちは重力宇宙の探究を始めたばかりです」とカリフォルニア工科大学の LIGO 研究所の所長であるデイビッド・ライツェ氏はポピュラーサイエンス誌に語った。「誰も予想しなかった、確立された科学理論のパラダイムを本当に揺るがすような何かが見られる可能性が非常に高いです。」（ライツェ氏の一番の目標は「失礼ながら、アインシュタインが間違っていることを証明するのは大きなことです。一般相対性理論の枠組みに亀裂が見られるかもしれません。それが、一般相対性理論と量子論を超理論、つまり万物の理論に統合する方法のヒントを与えてくれるかもしれません。」）

その間、科学者たちがすでに祝っている発見のいくつかをここに紹介します。

最初の非ブラックホール重力波

科学者たちは、これが重力波を伴う史上初のマルチメッセンジャー イベント (複数の種類の信号を使用して観測される天文イベント) であるという事実に興奮しています。この誇大宣伝は当然のことです。結局のところ、これは新しいタイプの天文学の始まりを表しています。しかし、興奮している一方で、これが中性子星の合体による重力波の史上初の検出でもあることを忘れてはなりません。

つまり、この衝突は、マルチメッセンジャー観測が可能になった最初の重力波イベントだったということです (ブラックホールは光を発しません)。さらに、研究者は、中性子星の合体が相対的にどのくらいの頻度で発生するかについて、よりよく理解できるようになりました。この発見に基づいて、LIGO は、1 年に 1 ～ 2 回から 1 週間に 1 回の中性子星の合体を観測できると予想しています。

短時間ガンマ線バーストの解明

衝突の重力波が地球に到達してからわずか 2 秒後、NASA のフェルミ宇宙望遠鏡はガンマ線の短いバーストを検出しました。研究者がガンマ線バーストを検出し始めたのは 1960 年代で、理論上は中性子星の衝突によってこれらの信号が生成される可能性があると示唆されていましたが、研究者はこれまでそれを証明できませんでした。

「その証明は重力波からしか得られない」と、LIGO科学コラボレーションのメンバーであるノースウェスタン大学の天体物理学者ヴィッキー・カロジェラ氏はポピュラーサイエンス誌に語った。「最初の検出から50年経って、ようやくこの長年の謎の答えが見つかりました。解決できたことに鳥肌が立つほどです。」

天体物理学者の観点からすると、さらに嬉しいのは、この謎の答えが新たな疑問を生み出したという事実です。具体的には、ガンマ線は、比較的近い発生源から来た信号としては、異常に弱かったのです。

「これは短時間のガンマ線バーストですが、ありきたりの短時間のガンマ線バーストではありません」とカロゲラ氏は言う。この強度不足を説明するために、研究者は中性子星がガンマ線を生成する仕組みに関する新しいモデルを構築し、研究対象となるさらなる衝突に目を光らせておく必要がある。

起源の銀河を特定する

地球は重力波が衝突した直後にガンマ線バーストを捉えることができたが、光学望遠鏡は数時間待たなければならなかった。LIGOの分析によると、中性子星の合体は南半球からしか見えず、つまりそこの望遠鏡は暗くなるまで待たなければならなかった。

世界中の研究者がこれらの望遠鏡と通信し、どこを見るべきか指示し、撮影した画像を分析し始めた。ついに、チリのラス・カンパナス天文台のスウォープ望遠鏡が、その兆候を示す画像を撮影した。その後、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のライアン・フォーリー率いるチームは、それが誤報ではないことを確認する必要があった。

「新しい島を見つけようとしている探検家なら、遠くに陸地が見えたら、それが半島やすでに発見された地域ではないことを確認したいと思うはずです」とフォーリー氏はポピュラーサイエンス誌に語った。

最終的に、彼のチームは、中性子星の故郷を銀河 NGC4993 内に発見したと公式発表しました。その数分後には別のチームも発表しました。実際、複数のチームが光学望遠鏡で信号を追跡するために懸命に作業しており、数分以内に発見 (NGC4993 内の場所については全員が同意) を発表しました。

「全体的に非常に刺激的でしたが、その瞬間には落ち着いて考える時間はあまりありませんでした」とフォーリー氏は言います。「腰を据えて、目の前の仕事に集中するのです。」

研究者たちは、この連星系の位置がわかれば、合体前にこの連星系が何をしていたかについて、さらに詳しく知ることができるだろう。たとえば、NASA のハッブル宇宙望遠鏡は、この特定の銀河をほんの数か月前に観測していた。

「その銀河の特性を知ることで、その系の歴史を解明することができます」とカロゲラ氏は言う。「この連星系中性子星は、合体する前に、自身の銀河を旋風のように巡回していました。」

光学望遠鏡は、銀河の歴史に加え、合体によって生じる光のスペクトルと、そのスペクトルが時間とともにどのように変化するかを記録することができます。これにより、2 つの中性子星が衝突したときに何が起こるかをより正確に把握できるようになります。

中性子星の破壊

メッツガー氏のような理論家たちは、中性子星の衝突の際に何が起こるかを予測している。潮汐力によって星の外層が宇宙空間に吹き飛ばされ、その間に挟まれた物質は過熱して、チューブから絞り出された歯磨き粉のように噴出する。

この飛翔物質は、非常に高温で、非常に放射能が強い。物質が外側に膨張し、光速の数十分の一の速度で移動すると、熱は弱まると思われるが、放射能によって温度は高いままである。最終的に、物質は輝き始め、キロノバと呼ばれる現象が発生する。

光学望遠鏡は、この合体を早期に捉え、キロノバが時間とともに成長し発達する様子を観察することができた。そして、これらの観測結果は理論家たちの予測とよく一致している。

「これは理論天体物理学の勝利です」とメッツガー氏は言う。「自然が幕を開け、この出来事が抽象的でデータ不足の方法で私たちが予測し考えていたものと非常によく似ているのを見て、私は非常に興奮しました。」

重元素の起源

理論上の勝利はそれだけではありません。中性子星の合体は単に光るだけではありません。中性子星は中性子と陽子で構成されており、前者は後者の約 10 倍の数です。この物質が真空に突入すると、ようやく原子、具体的には金、プラチナ、ウランなどの重元素の原子を形成し始める余地が生まれます。

実際、メッツガー氏は「周期表の底にある元素のほとんどを生成できる」と語る。同氏は、この中性子星の衝突1回で、地球質量の約100倍に相当する金、数百倍に相当するプラチナ、そして地球質量の数十倍に相当するウランが生成されたと推定している。

研究者らは、鉄より重い元素の多くは中性子星の合体の衝突で形成された可能性があるとすでに予測していた。しかし、今回の観測により、これらの元素のおよそ半分は中性子星の衝突によって生じたことが確認された。