アインシュタインは彼の一般相対性理論の一部として、質量が重力波を放出するはずだと予測しました。地球を通過するときに最も強力な重力波を検出できるはずです。また、2015年に打ち上げが計画されているLISAと呼ばれる宇宙ベースの天文台は、さらに強力になるはずです。
科学者たちは実際に重力波を見るのに近いです。画像クレジット：NASA
重力はおなじみの力です。それが高所恐怖症の理由です。それは月を地球に、地球を太陽に保持します。ビールがグラスから浮き上がるのを防ぎます。
しかし、どうやって？地球は月に秘密のメッセージを送っていますか？
ええ、そうです。
コーネル大学の物理学と天文学の准教授であるイアンナフラナガンは、故郷のアイルランドのダブリン大学の学生だったため、重力を理解することに専念しました。現在、アイルランドを離れてカリフォルニア工科大学で有名な相対論者キップソーンに師事するために研究を行ってから約20年後、彼の研究は重力波のサイズと形状の予測に焦点を当てています—アインシュタインの1916年の一般相対性理論しかし、これは直接検出されたことはありません。
1974年、プリンストン大学の天文学者であるラッセルハルス氏とジョセフH.テイラージュニア氏は、共軌道中性子星に対する重力波の影響を間接的に測定し、1993年にノーベル物理学賞を受賞しました。フラナガンと彼の同僚の最近の研究のお陰で、科学者たちは最初の重力波を直接見る寸前になりました。
音は真空の中に存在することはできません。空気や水など、メッセージを伝えるための媒体が必要です。同様に、重力は無に存在することはできません。また、メッセージを配信するための媒体も必要です。アインシュタインは、その媒体は空間と時間、または「時空構造」であると理論化しました。
圧力の変化（ドラムの打音、振動する声帯）は、音波、空気中の波紋を生成します。アインシュタインの理論によれば、質量の変化（2つの星の衝突、本棚への塵の着陸）により、重力波や時空の波紋が発生します。
日常のほとんどの物体には質量があるため、重力波が身の回りにあるはずです。では、なぜそれが見つからないのでしょうか？
「最強の重力波は、原子核の1,000分の1の大きさで、地球に測定可能な擾乱を引き起こします」とフラナガンは説明しました。 「それらを検出することは大きな技術的課題です。」
その挑戦への反応は、レーザー干渉計重力波天文台であるLIGOであり、300人以上の科学者の協力を含む巨大な実験です。
LIGOは、およそ2,000マイル離れた2つの施設で構成されています。1つはワシントン州のハンフォード、もう1つはルイジアナのリビングストンにあります。各施設は巨大な「L」のような形をしており、直径4フィートの2.5マイルのアームが2つあります。コンクリートに包まれた真空管。超安定レーザービームがパイプを通過し、各アームの端にあるミラー間で跳ね返ります。科学者は、通過する重力波が一方の腕を伸ばし、もう一方の腕を圧迫し、2つのレーザーがわずかに異なる距離を移動することを期待しています。
次に、腕が交差する場所でレーザーを「干渉」させることにより、差を測定できます。これは、交差点に向かって垂直に速度を上げる2台の車に相当します。同じ速度と距離で移動すると、常にクラッシュします。しかし、距離が異なると、見落とす可能性があります。フラナガンと彼の同僚たちは、ミスを望んでいる。
さらに、レーザーがどれだけヒットまたはミスするかによって、重力波の特性と発生源に関する情報が得られます。フラナガンの役割は、これらの特性を予測して、LIGOの彼の同僚が何を探すべきかを知ることです。
技術的な制限により、LIGOは特定の周波数の重力波のみを検出できます。これには、天の川の超新星爆発や、天の川や遠方の銀河の高速中性子星の回転などがあります。
潜在的なソースを拡大するために、NASAと欧州宇宙機関はすでにLIGOの後継者、LISA、レーザー干渉計宇宙アンテナを計画しています。 LISAのコンセプトはLIGOと似ていますが、レーザーが3百万マイル離れた3つの衛星間をバウンスして、地球を太陽の周りを周回します。その結果、LISAは、中性子星とブラックホールの衝突や2つのブラックホールの衝突によって生成される波など、LIGOよりも低い周波数の波を検出できます。 LISAは2015年に発売される予定です。
マサチューセッツ工科大学のフラナガンと共同研究者は、最近、超大質量ブラックホールが太陽サイズの中性子星を飲み込んだときに生じる重力波の特徴を解読しました。これは、LISAが認識できる重要な署名です。
「LISAが飛ぶとき、私たちはこれらの何百ものものを見るべきです」とフラナガンは述べました。 「私たちは、空間と時間がどのように歪んでいるか、そして空間がブラックホールによってどのようにねじれているはずかを測定することができます。私たちは電磁放射を見て、それはおそらくブラックホールであると考えていますが、それは私たちが得た限りです。相対性理論が実際に機能することを最終的に確認することは非常に興奮します。」
しかし、彼は警告しました、「それはうまくいかないかもしれません。天文学者たちは、宇宙の膨張が加速していることを観察しています。 1つの説明は、一般相対性理論を変更する必要があるということです。アインシュタインはほとんど正しいですが、一部の体制では状況が異なる場合があります。」
Thomas Oberstは、Cornell News Serviceの科学ライターのインターンです。
元のソース：コーネル大学
