時空の波紋の検出がノーベル賞を受賞した

2017年のノーベル賞は、時空の構造に生じるさざ波である重力波の初めての観測を可能にした研究により、3人のアメリカ人物理学者が受賞した。ライナー・ワイス、バリー・C・バリッシュ、キップ・S・ソーンはそれぞれ、科学者がアルバート・アインシュタインの一般相対性理論を確認することを可能にした巨大な一対の検出器、LIGOに大きく貢献した。

昨年は重力波が受賞するとの憶測もあったが、受賞者はおそらく少し違う3人組だっただろう。ロナルド・ドレーバーはLIGOの開発に携わり、ワイス、ソーンとともにその発見をきっかけに数々の科学賞を受賞した。ドレーバーは最初の検出からわずか1年半後に亡くなったが、ノーベル賞は死後に授与されるわけではない。賞は最大3人で分割できるため、ドレーバーがまだ生きていたならバリッシュは受賞を逃していた可能性がある。

しかし、閉鎖の可能性に直面しても LIGO を稼働させ続けたのはバリッシュ氏だった。同氏は 1994 年にプロジェクトが中止寸前だったときに管理を開始し、5 年後に最終建設までなんとかやり遂げた。ソーン氏は LIGO の理論面を先導し、重力波が検出器内で実際にどのように見えるかを予測した。ワイス氏は実験物理学者という側面が強く、プロジェクトの概念面と設計面の多くを主導した。

LIGO が初めて重力波を検出したのは 2015 年 9 月のことでした。しかし、研究チームがそのことを発表したのは翌年の初めになってからでした。1,000 人を超える科学者とエンジニアのグループが、実際に重力波を観測したことを確認するのに数か月かかり、できるだけ確信が持てるまでそのニュースを公表することはできなかったのです。

それ以来、ブラックホールの衝突による遠方からの信号が何度も検出されています。今年 8 月には、イタリアの 3 番目の観測所でも波が検出されており、2020 年代までには世界中に 5 つの検出器が設置される可能性があります。観測所の数が増えると、検出の信頼性と精度が向上します。衛星を使用して地球上の人の位置を三角測量するのと同じように、同じ物体をより多くの視点から観察すると、その物体の位置をより正確に推定できます。

しかし、この場合、私たちが見ている物体は衝突する一対のブラックホールです。2 つの物体が近づくと、互いの周りを回転する速度がどんどん速くなり、1 秒間に何百回も回転して、最終的に合体します。合体すると、時空構造が波立ちます。

アルバート・アインシュタインは1世紀前、ブラックホールの衝突以外の天体現象からも重力波が存在するという理論を立てたが、人間がそのような小さな動きを検出できるセンサーを作ることは不可能だろうと考えていた。LIGOは、交差点に検出器を備えた巨大なL字型のアームを使ってそれを実現した。検出器部分は、各アームに正確に同時にレーザービームを発射し、レーザーが跳ね返ってくるのを待つ。この装置は非常に精密に作られているため、レーザーは通常、両方のアームから同時に戻ってきて、揃った波長が互いに打ち消し合う。

重力波が腕を通過すると、腕の長さがわずかに変化します。片方の腕が伸び、もう片方の腕が縮みます。この変化によりレーザー光線が正確に揃わなくなり、波長が打ち消し合うことができず、検出器が光を捉えることができるのです。重力波の検出には 1,000 人以上の人員が必要だったのはそのためです。チームのほとんどは、動きの原因となる可能性のあるものを排除するよりよい方法の開発に注力しました。

これは、このような大発見にしては、非常に小さな信号だ。しかし、物理学界は、アインシュタインの理論の検証をまだ終えていない。重力波は、一般相対性理論を支持する実質的な証拠を提供したが、まだ検証し、疑問視すべき側面が残っている。検出器を増やすことで、物理学者は、一般相対性理論のどの部分が正しいのか、どの部分を修正する必要があるのか​​を理解するのに役立つだろう。