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重力波のニューウェーブ| スペース

a約100億兆兆ミリ秒ビッグバンでの創造の開始時に、宇宙は短いが途方もなく速い成長の急増を経験したと考えられています。 インフレーションと呼ばれるこのイベントは非常に壊滅的なものであったため、空間と時間の構造が重力波(GW)に同調しました。 それに比べて、6年前に最初に発見されたGWは、衝突するブラックホールからの小さな出来事である大きなスプラッシュを作っていました。 しかし今、科学者たちはヨーロッパにいます スペース ESAはより大きな目標に照準を合わせており、イベントから約140億年後、これまでに作成された最大の機器を使用して、宇宙のインフレによる誕生の苦痛のかすかなエコーをすぐに検出できるようになることを望んでいます。 地球の数百倍の大きさのEsaが計画している重力波検出器は、宇宙に浮かんで、あらゆる種類の大規模な天体物理学的痙攣によって引き起こされる時空の振動を探します。

最初のGWは、2015年にレーザー干渉計重力波観測所(Ligo)によって特定されました。これは、その成功が2017年のノーベル物理学賞を3人の主要な支持者に授与した国際プロジェクトです。 Ligoは、米国のワシントン州とルイジアナ州にある2つの巨大な検出器で構成されています。 それらはそれぞれ、直角に交差する2つの2.5マイル(4 km)のトンネルを展開します。このトンネルでは、レーザービームが遠端のミラーに沿って移動し、その後跳ね返ります。 戻ってくる光の波は、腕が交差するときに互いに干渉します。 GWが通過すると、GWはごくわずかに収縮するか、時空を伸ばします。 この効果はアームごとに異なるため、光波の同期が変化し、2つのビームの干渉が変化します。

レゴだけではありません。 2015年のクリスマスの2回目のGW発見は、後にイタリアに拠点を置くヨーロッパの探知機Virgoと共同で確認されました。 日本ではカグラと呼ばれる検出器が昨年初めに稼働を開始し、その他のデバイスはインドと中国で計画されています。

これまでに見られたブラックホールのほとんどは、2つのブラックホールの衝突によって引き起こされているように見えます。 これらの星は、私たちの太陽よりも何倍も重い星で構成されており、それらはそれ自体の重力の影響下で燃えて崩壊しました。 重力を質量によって引き起こされる時空間の歪みとして説明するアルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、崩壊は、非常に密度の高い「特異点」だけが残るまで続く可能性があります。逃れる。 彼から。

2つのブラックホールの衝突(レーザー重力波観測所、またはLigoによって初めて検出されたイベント)は、コンピューターシミュレーションからのこの静止画像に示されています。 写真:SXSproject

2つのブラックホールがお互いの引力によって衝突した場合、それらは互いに軌道を描き、それらが結合するまで徐々に内側に向かって先細りになる可能性があります。 一般相対性理論は、1世紀以上前に、そのようなイベントがGW波を宇宙に送ると予測しましたが、LIGOが発見されるまで、それらの直接的な証拠はありませんでした。 それらは、中性子星合体などの他の極端な天体物理学的現象によっても引き起こされる可能性があります。ブラックホールよりも質量が小さい燃える星は、人の指ぬきの重さが50mにもなるほど密度の高い物質で構成されている点で、崩壊を停止します。象。

GWは、はるかに大きなオブジェクトによっても生成できます。 私たちの銀河や他の多くの銀河の中心には、崩壊する星やガスの雲、宇宙塵から形成された、太陽の数百万倍の質量の超大質量ブラックホールがあります。 これらの超大質量ブラックホールに渦巻く物体は、LigoとVirgoによって見られる小さなブラックホール融合波よりも低い周波数と長い波長で振動するGWを生成します。

地上の検出器はこれらのことを正確に特定することはできません-それはアカザエビのボウルでクジラを捕まえようとするようなものです。 それらを見るには、干渉計検出器ははるかに長いアームを必要とします。 各チャンネルアームは長く、まっすぐで、振動がないようにする必要があるため、これは注意が必要です。 そのため、研究者たちは代わりに宇宙で低周波ギヨーを作ることを計画しています。 これらの計画の中で最も進んだものは、現在Esa用に構築されているデバイスです。 宇宙アンテナレーザー干渉計 (リサ)。

LISAは、宇宙船からレーザーを送信して、別の宇宙船内の自由に浮かぶ鏡に当たって跳ね返ります。 3つの宇宙船を使用して、Ligoのような両腕のL字型構造を作成できます。 ただし、腕は直角である必要はありません。代わりに、リサは3つの宇宙船を三角形の角に数百万マイル離れた位置に配置し、各角が3つの検出器の1つになります。 グループ全体が地球の軌道をたどり、私たちの惑星を約30メートル追跡します。

宇宙でレーザー干渉法を実施する可能性をテストするために、Esaは2015年にパイロットプロジェクトを立ち上げました。 リサパスファインダー -宇宙船は小規模で技術を実証しました。 ミッション、 2017年に完成し、「私たちを驚かせました」と、ミッションを実行しているプロジェクト科学者であったIssa PaulMcNamaraは言います。 「それは、変更も何もなしで、初日に私たちの要件を満たしました。」 彼は、宇宙船の内部に浮かぶ鏡が信じられないほど静止したままであり、単一の原子の1000分の1以下のサイズで振動する可能性があることを示しました。 それを安定に保つために、宇宙船は太陽から来る光からの力に反応するために小さなスラスターを使用します。

言い換えれば、マクナマラは「私たちの宇宙船はコロナウイルスのサイズよりも安定していた」と言います。 また、LISAは、GWが原因で、100万マイルを超える原子の幅の10分の1である腕の長さの変化を検出する必要があるためです。

ただし、リサのリリースは少なくとも10年間は​​発生しません。 「私たちには3つの衛星を構築する必要があり、それぞれに多くの部品があります」とMcNamara氏は言います。 「時間がかかるだけです。これは、非常に複雑な作業の不幸な事実の1つです。」 次のマイルストーンは、2024年に予定されている「ミッションの正式な採用」です。「この時点で、ミッションの詳細と、どのESA加盟国と米国が何をどのくらいの費用で貢献しているかがわかります。 「ジョーンズ大学の天体物理学者エマニュエル・ベルティは言います。ボルチモアのホプキンス。

日本と中国もGW宇宙探知機の計画の初期段階にあります。 マクナマラは、これを競争ではなく、良いことだと考えています。複数の検出器を使用すると、三角測量を使用して波の発生源を特定できるためです。

「リサは、可視光を超越するのとほぼ同じ方法で重力波天文学を変えるでしょう [to radio waves, X-rays etc] それは通常の天文学におけるゲームチェンジャーでした」とバーティは言います。「彼はさまざまなクラスのGWソースを調べます。」超大規模なブラックホールの合併を研究することによって、彼は言います。リサはビッグバンの初期にインフレから「原始的な」GWをすでに見ていました、それでこれはそれがすべてどのように始まったかについての理論をテストするかもしれません。


T専用の検出器をまったく必要としない低周波GWを確認する別の方法があります。 北米のナノヘルツ重力波観測所(NanoGrav)と呼ばれる共同研究では、電波望遠鏡のグローバルネットワークによって行われた観測を使用して、パルサーと呼ばれる「宇宙時計」のタイミングに対するGWの影響を検索します。

パルサーは、極から強力な電波ビームを送り、灯台の光線のように空を一掃する中性子星の周りを急速に周回します。 パルサー信号は非常に規則的で予測可能です。 「GWがパルサーと地球の間を通過すると、重なり合う時空が歪められます」と、テネシー州のヴァンダービルト大学のNanoGravチームメンバーであるStephen Taylorは言い、パルスが予想よりも早くまたは遅く到着します。

グリーンバンク望遠鏡(GBT)
NanoGravプロジェクトの一部である、バージニア州の国立電波天文台にあるグリーンバンク望遠鏡(GBT)。 写真:ジョン・アーノルド・イメージズ・リミテッド/アルミー

実際、パルサーは検出器になります。 コロラド大学ボルダー校のNanoGravチームメンバーのジュリーコマーフォードが言うように、これは地球とパルサーの間の距離、おそらく数千光年の長さの「検出器」アームを提供します。 この巨大なサイズのために、NanoGravによって検出できる信号は、LISAの到達範囲を超えてさえ、非常に長い波長と非常に低い周波数を持ち、銀河全体が衝突するときに融合する太陽の数十億倍の超大質量ブラックホールによって生成されます。 。 テイラーは、他の検出器はそれを感知できないと言います。 想像を絶するほど悲惨なことですが、これらの統合は実際には非常に一般的であり、NanoGravはそれらの多くが行ったような誇大広告を持っています。 「宇宙全体に、互いに周回してギガワットを生成する超大質量ブラックホールのペアがあります」とコマーフォードは言います。 「これらの波紋は、私たちが揺れ動いているGWの海を生み出します。」

1月、NanoGravチームは、コロラド州のComerfordポスドク研究員JosephSimonによって率いられました。 このGWの背景の最初の可能な発見を報告する。 信号が実際にGWによって引き起こされていることを確認するにはさらに作業が必要ですが、Commerfordは、この結果を「過去数年間で見た中で最もエキサイティングな天体物理学の結果」と呼んでいます。

NanoGravが実際に光年のサイズのGW検出器を使用している場合、ロンドン大学ユニバーシティカレッジの物理学者Sougato Boseは、食器棚の中に収まるほど小さいものを作ることができると考えています。 彼のアイデアは、一般に原子などの非常に小さな物体を記述する量子論のより珍しい効果の1つに基づいています。 量子オブジェクトは、いわゆる重ね合わせに配置できます。つまり、それらのプロパティは、測定されるまで一意に決定されません。複数の結果が発生する可能性があります。

量子科学者は日常的に原子を量子重ね合わせに入れることができますが、そのような奇妙な振る舞いは、私たちが見ているかどうかに関係なく、ここかそこにあるサッカーボールのような大きな物体では消えます。 私たちの知る限り、これほど大きなものでは重ね合わせが不可能というわけではありません。オブジェクトの周囲との相互作用によって重ね合わせが簡単に破壊されるため、検出されるのに十分な時間重ね合わせを維持することは不可能です。

ユニバーシティカレッジロンドンの物理学者であるSougatoBoseは、実験的に量子重力に到達することを計画している研究者のチームを率いています。
ユニバーシティカレッジロンドンの物理学者であるSougatoBoseは、実験的に量子重力に到達することを計画している研究者のチームを率いています。 写真:ソウガート・ボズ提供

ボーズと同僚は提案します 原子とサッカーの間に中型の物体(直径約100ナノメートル、大きなウイルス粒子のサイズの小さな結晶)の量子重ね合わせを作成できれば、その重ね合わせは非常に危険であるため、一時的なGWに敏感です。 実際、量子重ね合わせの2つの潜在的な状態は、2つの光波のように重なり合うようにすることができ、GWによって引き起こされる時空歪みは、この干渉の変化として現れます。

ボーズは、宇宙空間よりも空の空間に保持され、絶対零度のフィラメント内で冷却されたダイヤモンドナノ結晶は、トリックを実行するのに十分な時間重ね合わせて保持できると考えています。 簡単なことではありませんが、技術的な課題はすべて個別に提示されていると彼は言います。それは、それらをすべてまとめることの問題です。 「十分な資金があれば、今後10年ほどはそれを行うのに支障はないと思います」と彼は言います。

これらや他の開発がGW天文学のブームにつながる場合、私たちは何を見ますか? 「宇宙で新しいウィンドウを開くと、通常、予期しないものが表示されます」とMcNamara氏は言います。 GWの原因であることがすでにわかっているより多くの種類のイベントを確認することに加えて、簡単に説明できない信号を受け取る場合があります。 「それが楽しみの始まりです」とマクナマラは言います。

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