2個のブラックホールが近づき、衝突・合体する前のイメージ画像。()


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LIGO(ライゴ)がまたやった!

 2017年6月1日、米国の重力波検出装置「LIGO(ライゴ)」チームが3例目の重力波受信を発表しました。

 約22億年前に、私たちの太陽の質量の30倍のブラックホールと20倍のブラックホールが衝突・合体し、その際に放射された重力波が22億年間にわたって宇宙を泳ぎ渡り、2017年1月4日10時11分58.6秒(協定世界時)に地球に到達し、巨大で鋭敏なLIGOをわずかに揺るがしたのです。

 LIGOが過去に検出した重力波は、いずれも十数億年前のブラックホール衝突によるものなので、今回は最も昔、かつ最も遠方の衝突事件を捉えたことになります。合体によって出来上がった太陽質量の50倍のブラックホールは、(もしその場に残ったなら)現在は約24億光年ほどの距離にあります。途方もない数値が立て続けに出てきて、何だか目まいがします。

 2015年に最初の重力波を検出して世界の研究者を狂喜乱舞させて以来、LIGOはもうすっかり重力波望遠鏡として安定した活躍をしています。重力波検出も3例目になったところで、重力波天文学という新しい学問分野の成果を改めて紹介しましょう。

重力波って何だっけ

 アルバート・アインシュタインの相対性理論によると、私たちの住むこの空間と時間、合わせて「時空」は、伸びたり縮んだりしわが寄ったりするものだといいます。そして、そのしわの寄った時空を物体が通過する際には、真っ直ぐ進めずにぐにゃりと軌道がゆがみ、それが重力の影響を受けた物体の運動だというのです。

 何を言っているんだか分からないほど常識外れで奇妙なこの理論は、しかし水星の軌道のずれや、重力場で曲がる光線、宇宙の膨張などを次々に言い当てました。現在では、相対性理論は最も精密な物理学理論のひとつと見做されています。

 相対性理論の予言の中でも、とりわけ奇妙で証明の難しいものが、ブラックホールと重力波でした。ブラックホールは、極めて重力が強いため、光さえ脱出できない天体です。まるで空間に空いた黒い穴ぼこのようだというので、この名がつきました。多くの研究者は最初、その異常な天体が実在することを認めようとしませんでした。

 重力波は、時空のしわが宇宙をさざ波のように伝わっていく現象です。これは極めて微弱な波動で、検出が極度に困難です。あまりに困難なので、LIGOによる検出は、アインシュタインの予言から100年後でした。

 LIGOは、宇宙にブラックホールと重力波が実在することを両方同時に実証しました。ノーベル賞受賞は秒読みと言えるでしょう。

これまでのLIGOの成果

 ルイジアナ州とワシントン州に建造された2台のLIGOは、検出部の長さが4kmある、巨大で精緻な重力波アンテナです。1994年から建造が始まり、試運転を行い、精度を向上させ、雑音を減らし、何年もかけてようやく宇宙からの重力波を本当に検出できる感度レベルに達しました。

 そして2015年、本格的な観測を開始する前の試験的な運用中、いきなり本物の重力波シグナルが飛び込んできました。2015年9月14日9時50分45秒(協定世界時)のことです。

 この記念すべき重力波シグナル第1号は「GW150914」と命名されました。「2015年9月14日の重力波」という意味です。

 LIGOの第1期の本格的観測は、2015年9月から2016年1月まで行なわれました。この間にLIGOはもう1件の重力波シグナル「GW151226」と、少々シグナルが弱くて正式にはカウントされない「LVT151012」を検出しました。1カ月に約1件の頻度です。いずれも、太陽質量の数十倍のブラックホールが衝突・合体することによって生じた重力波と考えられています。

 そんな大質量のブラックホールが宇宙にたくさんあって、こんなに頻繁にがっしゃんがっしゃん衝突事故を起こしているとは、観測してみるまで誰も知りませんでした。宇宙は常に人類の貧弱な予想を超えてきます。だから観測天文学は面白いのです。(さらに言えば、1カ月に1件なら、LIGOチームの大学院生は博士論文のテーマに困りません。実に宇宙は親切です。)

 LIGOの第2期観測は2016年11月30日に開始され、現在継続中です。今回、記者発表のあった3例目の重力波シグナル「GW170104」も含めて、やはり1カ月に1件の頻度で検出が続いていることになります。なおも成果が続々報告されることでしょう。

やつらはたくさんいる!

これまでに知られているブラックホール。ただし超巨大ブラックホールは除く。左の紫色のものはX線観測で発見されたもの。右の水色はLIGOが発見したブラックホールの衝突・合体。縦軸は太陽の何個分の大きさに当たるかを示す。()


 重力波が見つかる2015年9月14日まで、宇宙にこれほど多くの重力波シグナルが飛び交っているとは予想されていませんでした。

 これまでLIGOが検出した3件(または4件)は、いずれも、太陽質量の数十倍のブラックホールが互いの周りを巡る「ダブル・ブラックホール連星系」が衝突して起きたものです。こういうダブル・ブラックホール連星系は、数億年から数十億年かけて徐々に距離を縮め、最後に衝突し、1個のブラックホールになります。

 何しろダブル・ブラックホール連星系は光も電波も(おそらく)放射しないので、LIGOが検出するまではひとつも見つかったことはなく、そんなものがどれほど宇宙に存在するのか全く分かりませんでした。そういうダブル・ブラックホール連星系の衝突が1カ月に1件の頻度で起きていて、だからLIGOをそのために建造するのだと主張したら、おそらく誰にも信じてもらえずLIGOは建造予算をもらえなかったでしょう。

 LIGOはむしろ、中性子星という天体の衝突・合体を先に見つけるだろうと予想されていました。中性子星というのは、太陽質量の1.4倍ほどありながら、半径が10km程度しかない高密度の異常な天体です。異常ではありますが、電波を放射するので結構見つけやすく、この天の川銀河内に15万個以上もごろごろ転がっているのが分かっています。

 ところが蓋を開けてみたら、宇宙はダブル・ブラックホールでいっぱいでした。これまでX線観測などで見つかったブラックホールとは質量が違う、太陽質量の数十倍程度のブラックホールがドガシャガぶつかりあっていたのです。LIGOは本格観測を始めた途端に(正確には始める前の試運転で)、ブラックホールの新しい種族を発見してしまいました。

 重力波天文学は2015年に始まったばかりです。今後、中性子星の衝突・合体も、超新星爆発も、その他の重力波イベントが次々見つかると予想されます。また、未知の天体現象も確実に出てくるでしょう。

もっと検出器を!

 重力波天文学がいきなり成果を挙げているのは、重力波シグナルが豊かな情報を含んでいるためです。ブラックホール衝突・合体の重力波を検出すると、その質量、距離、時間などがばっちり分かります。ブラックホールはある種の自転をしているのですが、自転の「速さ」や向きについても分かります。

 ところが、それだけのことが分かりながら、現状では、その重力波がどの方向から来たのか分からないのです。

これまで検出された重力波の到来方向。方向が精確に分かったものはない。()


 図は、空のマップに、これまでに検出された重力波のやってきた方向を推定して書き込んだものです。「この辺からやってきたっぽい」という大雑把な方向が、細長い囲みで示されています。

 この囲みは広すぎて、光学望遠鏡や電波望遠鏡、X線望遠鏡などで狙うことができません。そういう大型望遠鏡を向けても、この囲みの中のほんの一部しか観測できません。

 これはたいへん残念なことです。ブラックホール衝突・合体の起きた跡には、可視光や電波やX線を放射する「何か」が残っているかもしれません。そういう何かを観測できたら、第一級の科学的成果です。中性子星やガンマ線バーストといった天体現象は、そういう手法で正体が突き止められた歴史があります。

 重力波のやってきた方向を精確に知るには、重力波検出装置を何台も同時に使う必要があります。両耳で音を聞くと音源の方向が分かるのと同じく、複数の検出器があると重力波到来方向が分かるのです。

 日本の重力波検出装置「KAGRA(かぐら)」は、まもなく本格稼働を開始する予定です。また、3台目のLIGOがインドに建設予定です。他にも重力波検出装置が実用的な感度を目指しています。検出器を宇宙に打ち上げて、宇宙空間にもっと巨大な重力波検出装置を作る計画も進んでいます。

 将来、宇宙から重力波シグナルが到来するやいなや、これらの検出装置によって発生源の方向が決定され、ただちにそこに可視光望遠鏡やX線望遠鏡が向けられて、重力波天体現象の正体を明らかにする、そういう観測体制が整えられるでしょう。

 2015年に創始されたばかりの新しい天文学分野「重力波天文学」は、1カ月に1件の勢いで観測対象を増やし、人類の知識を急激に拡大しつつあります。これから予想外の重力波天体現象が次々見つかることが確実に「予想」されます。

 次の発表をわくわくしながら待ちましょう。

筆者:小谷 太郎