LIGOのArial写真。拡大するにはクリックしてください。
かつて、天文学者は自分の目を受容体として使用して、可視光でのみ空を見ることができました。しかし、重力の目があったらどうでしょうか？アインシュタインは、宇宙で最も極端なオブジェクトとイベントが重力波を生成し、それらの周りの空間を歪めるはずであると予測しました。レーザー干渉計重力波天文台（またはLIGO）と呼ばれる新しい実験は、これらの重力波の最初の検出を行うことができます。
インタビューを聞く：重力の目で見る（7.9 MB）
またはポッドキャストを購読してください： universetoday.com/audio.xml
ポッドキャストとは何ですか？
フレーザー・ケイン：わかりました。重力波とは何ですか？
サムウォルドマン博士：質量が時空を歪めていることを覚えているなら、重力波は説明できます。したがって、シートの中央にボーリングボールを投げてシートを曲げ、ピンと張ったシートの類推を覚えている場合は、ここで、ボウリングボールは質量であり、シートは時空を表します。そのボウリングボールを非常に速く前後に動かすと、シートに波紋ができます。同じことが私たちの宇宙の大衆にも当てはまります。星を非常に速く前後に動かすと、時空に波紋を作ります。そして、それらの時空の波紋は観察可能です。それらを重力波と呼びます。
フレーザー：部屋を歩いていると、重力波が発生しますか？
ウォルドマン博士：なるほど。私たちの知る限り、重力はすべてのスケールとすべての質量で機能しますが、時空は非常に硬いです。ですから、私の200ポンドの自分が私のオフィスを移動するようなものは、重力波を引き起こしません。必要なのは、非常に速く移動する非常に巨大なオブジェクトです。したがって、重力波を検出しようとするときは、太陽の質量スケールのオブジェクトを探しています。特に、太陽質量1.5〜3の中性子星を検索します。最大数百の太陽質量のブラックホールを探します。そして、これらのオブジェクトが非常に速く移動することを探します。つまり、中性子星とは、ほぼ光速で動いている中性子星のことです。実際、それは光の速度で振動している必要があり、単に動くだけでなく、非常に速く前後に振る必要があります。したがって、これらは私たちが探している非常にユニークで非常に大規模な激変システムです。
フレーザー：重力波は純粋に理論的なものですよね？彼らはアインシュタインによって予測されましたが、彼らはまだ見られていませんか？
ウォルドマン博士：それらは観察されておらず、推測されています。周波数が重力波の放出と一致する速度でスピンダウンしているパルサーシステムがあります。それがPSR 1913 + 16です。そして、この星の軌道は変化しています。これは推論ですが、もちろん重力波を直接観察したものではありません。ただし、存在する必要があることは明らかです。アインシュタインの法則が存在し、一般相対性理論が機能し、非常に多くの長さスケールで非常に機能する場合、重力波も存在します。見づらいだけです。
フレーザー：それらを検出できるようになるには何が必要ですか？非常に大変動のイベントのようです。大きな大きなブラックホールと中性子星が動き回っていますが、なぜ見つけるのがそれほど難しいのですか。
ウォルドマン博士：それには2つの要素があります。 1つは、ブラックホールが常に衝突するわけではなく、中性子星が古い場所だけで揺れることはないということです。したがって、観測可能な重力波を引き起こす可能性のあるイベントの数は実際には非常に少ないです。たとえば、30〜50年ごとに1つのイベントが発生する天の川銀河について説明します。
しかし、その方程式の他の部分は、重力波自体が非常に小さいということです。したがって、彼らは私たちがひずみと呼ぶものを紹介します。それは単位長さあたりの長さの変化です。たとえば、もし私が1メートルの長さのヤード尺を持っていて、重力波が通過するときにそのヤード尺を押しつぶすとします。しかし、それが基準を押しつぶすレベルは非常に小さいです。私が1メートルのヤード尺を持っている場合、それは10e-21メートルの変化を引き起こすだけです。つまり、非常に小さな変更です。もちろん、10e-21メートルを観測することは、重力波を観測することの大きな課題です。
フレーザー：別のヤード尺でヤード尺の長さを測定している場合、他のヤード尺の長さが変化します。難しいことはわかります。
ウォルドマン博士：その通り、あなたには問題があります。物差しの問題を解決する方法は、実際には2つの物差しを持ち、それらをLに形成することです。そして、それらを測定する方法は、レーザーを使用することです。そして、私たちが基準を配置した方法は、実際には長さ4 kmの「L」です。 2本の腕があり、それぞれ4 kmの長さです。そして、各アームの端には、レーザーを跳ね返す4 kgのクオーツテストマスがあります。そして、重力波がこの「L」字型検出器を通過すると、片方の脚を伸ばし、もう一方の脚を縮めます。そして、それは可聴周波数内で、例えば100ヘルツでこれを行います。したがって、これらの質量の動きを聞くと、100ヘルツでブーンという音が聞こえます。そして、レーザーで測定するのは、この大きな「L」字型干渉計の差動アーム長です。だからこそLIGOです。レーザー干渉計重力波観測所です。
フレーザー：私がこれを正しく理解しているか見てみましょう。何十億年も前に、ブラックホールが互いに衝突し、重力波の束を生成します。これらの重力波は宇宙を横切り、地球を過ぎて洗い流されます。彼らが地球を通過するとき、彼らはこれらの腕の1つを伸ばし、もう1つの腕を縮めています。レーザーが前後に跳ね返ることによってこの変化を検出できます。
ウォルドマン博士：そうです。もちろん、問題は、その長さの変化が非常に小さいことです。 4km干渉計の場合、現在測定している長さの変化は10e-19メートルです。それにスケールを付けると、原子核の直径はわずか10e-15メートルです。したがって、私たちの感度は素粒子です。
フレーザー：では、この時点でどのような種類のイベントを検出できるでしょうか？
ウォルドマン博士：つまり、それは実際には魅力的な領域です。私たちが使用するのに似ているのは、電波で宇宙を見ているのが望遠鏡で宇宙を見ているのと同じようなものです。あなたが見るものは全く異なります。宇宙のまったく異なる体制に敏感です。特に、LIGOはこれらの激変イベントに敏感です。私たちはイベントを4つの大きなカテゴリーに分類します。最初に私たちがバーストと呼ぶものは、ブラックホールの形成のようなものです。そのため、超新星爆発が発生し、多くの物質が非常に急速に移動してブラックホールを形成しますが、重力波がどのように見えるかはわかりません。あなたが知っているのは重力波があるということだけです。したがって、これらは非常に急速に発生するものです。それらはせいぜい100ミリ秒持続し、それらはブラックホールの形成から生じます。
私たちが注目するもう1つのイベントは、2つのオブジェクトが互いに軌道上にあるときです。たとえば、2つの中性子星が相互に周回しているとします。最終的にその軌道の直径は崩壊します。中性子星は合体し、お互いに落下してブラックホールを形成します。そして、最後のいくつかの軌道では、それらの中性子星（これらは1.5から3の太陽質量の重さの物体であることを覚えておいてください）は、光速の大部分で動いています。光速の10％、20％と言ってください。そして、その動きは重力波の非常に効率的なジェネレータです。これが標準のキャンドルとして使用するものです。それが、私たちが存在すると私たちが知っていることです。私たちは彼らがそこにいることを知っていますが、それらのうちどれが一度にいくつになるかはわかりません。らせん状の中性子星が、電波やX線の光放射でどのように見えるかはわかりません。そのため、渦巻き状または超新星のいずれかがどのくらいの頻度で現れるかを正確に計算することは少し難しいです。
フレーザー：今、あなたは彼らの方向を見つけることができるでしょうか？
ウォルドマン博士：2つの干渉計があります。実際、2つのサイトと3つの干渉計があります。干渉計の1つは、ニューオーリンズの北にあるルイジアナ州リビングストンにあります。そして、私たちの他の干渉計はワシントン州東部にあります。干渉計が2つあるため、空で三角測量を行うことができます。しかし、正確な情報源がどこにあるかについては、いくつかの不確実性が残っています。世界には、ドイツ、イタリア、日本と密接に連携している他のコラボレーションがあり、それらにも検出器があります。したがって、複数のサイトにある複数の検出器で重力波が検出された場合、ローカライズの点で非常に優れています。重力波が見えることと、それがどこから来ているのかがわかっていることが期待されます。次に、電波天文学者の同僚、X線天文学者の同僚、および光学天文学者の同僚に、空のその部分を見に行くように伝えます。
フレーザー：地平線上にいくつかの新しい大型望遠鏡があります。圧倒的に大きく、巨大な大きさで、マゼラン…かなり大きな予算でパイプから降りてくる大きな望遠鏡。重力波を確実に見つけることができるとしましょう。それは、検出に新しいスペクトルを追加するようなものです。これらの重力波検出器の一部に大きな予算が投入された場合、それらを何に使用できると思いますか？
ウォルドマン博士：さて、先ほど言ったように、電波望遠鏡が最初にオンラインになったのは、天文学の革命のようなものです。私たちは根本的に異なる種類の現象を見ています。 LIGOの実験室はかなり大きな実験室だと言っておくべきです。私たちは150人以上の科学者が働いているため、大規模なコラボレーションです。また、今後はすべての光学および電波天文学者と協力したいと考えています。しかし、科学が進むべき道を予測することは少し難しいです。たくさんの一般相対論者と話すと、重力波の最も刺激的な特徴は、私たちが強い場の一般相対性理論と呼ばれることをしていることです。星や銀河を見て測定できる一般相対性理論はこれだけです。質量はそれほど多くなく、あまり速く動きません。非常に遠くにあります。一方、ブラックホールと中性子星の衝突について話しているとき、その最後のビットは、中性子星がブラックホールに落ちるとき、非常に暴力的で、一般相対性理論の領域を調査します。通常の望遠鏡、ラジオ、X線でアクセスできます。ですから、そこには根本的に新しくエキサイティングな物理学が存在することを望んでいます。それが主に私たちを動機づけているのだと思います、あなたはそれを、一般相対性理論で楽しいと呼ぶことができます。
フレーザー：そして、いつあなたはあなたの最初の発見を望んでいますか？
ウォルドマン博士：つまり、LIGOが操作するLIGO干渉計（3つの干渉計すべて）はすべて設計感度で実行されており、現在、S5の実行の最中です。 5回目のサイエンスラン。1年間のランです。私たちが1年間行うのは、重力波を探すことです。天文学の多くのことと同様に、そのほとんどは待って見ることです。超新星が爆発しないのであれば、もちろんそれを見るつもりはありません。そして、できるだけ長くオンラインでいなければなりません。超新星イベントなどのイベントを観測する可能性は、現在の感度では、10〜20年ごとに1つ見られると考えられています。広い範囲があります。文献には、年に複数回見られると主張する人々がいて、それから、私たちの感受性でこれまで見られないと主張する人々がいます。そして、保守的な中間点は10年に1回です。一方、この実行が終了するとすぐに検出器をアップグレードします。また、感度を2倍に改善しています。これにより、検出率が2乗の3倍になります。感度は半径であり、空間内のボリュームを調査しているためです。検出率が8〜10倍ということで、イベントは毎年1回程度見られるはずです。そしてその後、感度を10倍向上させるAdvanced LIGOと呼ばれるものにアップグレードします。その場合、ほぼ間違いなく毎日1回程度重力波が発生します。 2〜3日ごと。その楽器は非常に現実的なツールになるように設計されています。重力天文学をしたいです。数日おきにイベントを見ること。 Swift衛星を打ち上げるようなものです。 Swiftが上がるとすぐに、ガンマ線バーストが常に見られるようになり、Advanced LIGOも同様になります。
