研究者らが、時空の織物に生じるさざ波である重力波の3度目の検出を発表しました。
アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論の一部として100年以上前に重力波を予測しました。しかし、その理論を裏付ける直接的な証拠を見つけるまでには、天体物理学者たちによる50年以上の試行錯誤が必要でした。
レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）は2017年1月4日に重力波を検出しました。重力波は地球を通り抜け、極めて高感度のLIGO検出器はそれを「聞く」ことができます。
このポッドキャストのエピソードで、重力波の「チャープ音」を聞いてみましょう。
2015年9月、長く待ち望まれていた重力波の史上初の直接観測が実現し、空間と時間が織り合わさり、絶えず変化する宇宙というアインシュタインのビジョンが完成しました。
「何十億年も前に、私たちから何十億光年も離れた場所で起きた、これほど奇妙で極端な現象について、人間が筋書きを組み立て、それを検証できるというのは驚くべきことです。」
今回の3度目となる最新の検出は、これまでの2組より地球から2倍遠い、約30億光年先でブラックホール同士が合体したことを示しています。今回は2つのブラックホールの大きさが異なり、一方はもう一方よりかなり軽量でした。合体によってできたブラックホールの大きさは、先の2組の合体で生じたブラックホールの中間でした。
「これまでに検出されたわずかな事例から、これまで存在を知らなかった興味深いブラックホール集団が明らかになりつつあります」と、米国にある2基のLIGO検出器に関する研究を行うLIGO科学コラボレーション（LSC）の上級天体物理学者、ヴィッキー・カログラ氏は述べます。同氏はノースウェスタン大学の天体物理学センターCIERAの所長であり、物理学・天文学の教授でもあります。
「今やブラックホールのペアが3組あります。それぞれのペアは、何百万年、あるいは何十億年にもわたる死の螺旋の舞を終え、宇宙で最も強力な爆発の一つを起こしました。天文学では、同じ種類の天体が3つあれば、ひとつの分類ができると言います。私たちは集団を見いだし、分析できるようになったのです。」
「今回もまた、ブラックホールは重いものでした」と、ノースウェスタン大学で物理学・天文学の准教授を務める研究者で、シカゴのアドラー・プラネタリウムの天文学者でもあるシェーン・L・ラーソン氏は述べます。
「LIGOが最初に検出したブラックホールは、私たちが予想していたよりも2倍も重いものでした。今、私たちは皆、宇宙が大きく重いブラックホールを生み出すと考えられる、興味深く多様な仕組みを探ろうと、知恵を絞っています。」
3度目の検出は、学術誌「Physical Review Letters」に掲載が認められた新たな論文の主題です。
「ブラックホール2つの衝突による重力波の検出が3度目に確認されたことで、LIGOは宇宙の暗黒面を明らかにする強力な観測所としての地位を確立しつつあります」と、カリフォルニア工科大学（Caltech）のデービッド・ライツェ氏は述べます。同氏はLIGO研究所の事務局長です。「LIGOはこうした種類の現象の観測に特に適していますが、中性子星2つの激しい衝突など、ほかの種類の天体物理現象も近いうちに観測できることを期待しています。」
天の川銀河を透明な球体に投影したこの3次元図は、LIGOが確認した3件のブラックホール合体事象、GW150914（青）、GW151226（オレンジ）、最新の検出GW170104（マゼンタ）の推定位置と、確度は低いものの可能性のある4件目の検出LVT151012（緑）を示しています。それぞれの外側の輪郭は90％の信頼領域を、最も内側の輪郭は10％の信頼領域を表します。
太陽の質量の約50倍
今回の最新の発見により、LIGOの登場前には研究者が存在可能と考えていた質量を上回る、新たな種類のブラックホールのペア、すなわち連星ブラックホールの存在が確かなものとなりました。
「最初の2回の検出と同様、新たな論文で報告した重力波は、2つのブラックホールが合体して、より大きなブラックホールを形成した際に生じたものです。最新の合体でできたブラックホールの質量は、太陽の約50倍でした」と、共著者でメルボルン大学物理学部の博士課程学生、オーストラリア研究会議重力波卓越研究センター（OzGrav）のメンバーであるリン・サン氏は説明します。
これにより、LIGOが以前に検出した合体後のブラックホール2つの質量、太陽質量で62（1回目の検出）と21（2回目の検出）の間の空白が埋まりました。
「太陽質量で20を超えるブラックホールが存在することを、さらに確認できました。LIGOが検出するまでは、そのような天体の存在を知りませんでした」と、LSCの報道担当者を務めるマサチューセッツ工科大学（MIT）のデービッド・シューメーカー氏は述べます。「何十億年も前に、私たちから何十億光年も離れた場所で起きた、これほど奇妙で極端な現象について、人間が筋書きを組み立て、それを検証できるというのは驚くべきことです。」
強力な衝突
GW170104と名付けられた新たな検出は、2016年11月30日に始まり、夏まで続くLIGOの現在の観測期間中に行われました。LIGOの観測は、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設置された2基の検出器が担っています。
LIGOは、Advanced LIGOと呼ばれる計画で大規模な改良を行った後、初めての観測期間中にあたる2015年9月、重力波を初めて検出しました。2回目の検出は2015年12月でした。（LIGOの検出器は2016年1月から11月まで、ほぼ1年間停止していました。）
3件すべてで、LIGOの2基の検出器がそれぞれ、ブラックホールのペアが合体する際の途方もないエネルギーによって生じた重力波を検出しました。ブラックホールが合体する直前の一瞬に放出されるエネルギーは、宇宙にあるすべての恒星と銀河がその時点で光として放射するエネルギーを上回ります。
今回の検出は、これまでで最も遠方の事例で、ブラックホールは約30億光年先に位置しています。（1回目と2回目の検出で見つかったブラックホールは、それぞれ13億光年先、14億光年先にあります。）
2つの理論
ブラックホールの連星ペアがどのように形成されるかを説明する主なモデルは2つあります。
一方のモデルでは、ブラックホールは進化の後期に、星が密集した星団の中で出会います。星団の中心に沈み込んだ後、ブラックホール同士はペアになります。このシナリオでは、ブラックホールは軌道運動に対してどの方向にも自転する可能性があります。
「ブラックホールの自転軸がそろっていない可能性を示す証拠が得られたのは今回が初めてです。連星ブラックホールが高密度の星団で形成される可能性を、ほんの少し示唆しています」と、ペンシルベニア州立大学の物理学、天文学・天体物理学の教授で、論文の共同責任者であるB・P・サティヤプラカーシュ氏はコメントしています。
もう一方のモデルでは、ブラックホールは同じ連星系で生まれます。ペアをなす2つの恒星がそれぞれ爆発したときにブラックホールが形成され、もとの恒星の自転軸がそろっていたため、完全ではないにせよ、ブラックホールの自転軸もおおむねそろったままになります。
GW170104は、2つのブラックホールの自転軸の少なくとも一方が連星の軌道面とずれている可能性を示唆しており、高密度の星団で形成されるという説をわずかに支持しています。
LIGO研究所は米国科学財団（NSF）から資金提供を受け、観測所の構想と建設を担ったCaltechとMITが運営しています。Advanced LIGO計画への資金援助ではNSFが主導し、ドイツ（MPG）、英国（STFC）、オーストラリア（ARC）の資金提供機関も計画に大きく貢献しました。
世界各地の1,000人を超える科学者と技術者が、GEOコラボレーションを含むLIGO科学コラボレーションを通じて、この取り組みに参加しています。LIGOは、フランス国立科学研究センター（CNRS）、イタリア国立核物理学研究所（INFN）、Nikhefの支援を受けるVirgoコラボレーションと連携しています。また、Virgoの受け入れ機関である欧州重力観測所も連携しており、欧州各地の追加の科学者280人を含むコンソーシアムです。追加のパートナー一覧はこちらでご覧いただけますこちら。
