この宇宙の全ての始まりについて、人類はその謎を解き明かそうとしてきた。だが今回新しい研究で、研究者たちは、重力波として知られる時空のさざ波を使って、宇宙の始まりに関する秘密が明らかになるかもしれないと述べている。

重力波は、物理学者アルバート・アインシュタインが相対性理論の帰結として1916年に初めて予言したもので、非常に密度の高い物体の運動によって生じる時空の乱れにほかならない。この波は光速で宇宙空間を進み、2015年にレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）がワシントン州とルイジアナ州の検出器で初めて検出した。

プリンストン大学プラズマ物理学プログラムの大学院生であるDeepen Garg氏は、ニュースリリースで、「我々は、初期宇宙を直接見ることはできませんが、当時の重力波が、現在観測できる物質や放射線にどのように影響を与えたかを調べれば、間接的にそれを見ることができるかもしれません。」と、述べている。

新しい研究では、物理学者は、核融合炉内のプラズマを電磁波がどのように移動するかを支配する方程式を使用して、重力波が宇宙の深部にある星やガスを伝わるときに何を見るべきか、つまり核融合施設を動かす電子と原子核のスープであるプラズマを電磁波がどう伝わるかを計算する一連の方程式を考案している。

「基本的に、我々はプラズマ波の機械を重力波の問題に適用したのです」と著者らは言う。

超巨大ブラックホールの衝突によって発生する巨大な低周波の波から、ビッグバンからわずか数十分の一秒後の宇宙の膨張の巨大な音まで、我々の限られた検出能力を超えて宇宙を伝わるとらえどころのない重力波を明らかにすることができるかも知れない。

Garg氏は、重力波が何光年も離れた星など、天体の隠れた性質を明らかにする理論的根拠となる数式を作成した。

論文の共著者であるI.Y.Dodin氏は、「これは大学院生にとって、簡単なことを解決するための半年間の小さなプロジェクトだと思ったんです。しかし、いったん掘り下げ始めると、この問題についてほとんど理解されていないことに気づき、ここで非常に基本的な理論的研究を行うことができるようになったのです。」と、述べている。

専門家によると、重力波が物質を通過して伝播することで、検出可能な信号が発生し、初期宇宙を理解する新しい方法を科学者に提供することができるはずだという。天文学の分野では、強力な新ツールとなる可能性がある。

科学者たちは、この概念を調べるための公式があることを認めているが、「意味のある結果を得るにはもっと研究が必要だ」という。

彼らは近い将来、この技術をデータ解析に活用する予定である。

論文

• Journal of Cosmology and Astroparticle Physics: Gravitational wave modes in matter

参考文献

• Princeton Plasma Physics Laboratory: Ripples in the fabric of the universe may reveal the start of time
• via Live Science: Physicists want to use gravitational waves to ‘see’ the beginning of time

研究の要旨

物質中を伝播する分散型重力波（GW）に対する一般的な線形ゲージ不変方程式を導出した。この方程式は、通常のテンソルモードと、物質と強く結合した重力モードの両方を、同じ立場で記述する。前者に対する物質の影響は回折と同程度であり、したがって幾何光学近似では無視できることが示された。しかし、この近似は、物質と強く結合したモードに対しては、その大きな屈折率のために適用可能である。理想気体中のGWを、先に紹介した運動平均-ラグランジアン法と物質の重力分極率を用いて研究する。特に、この定式化によって、運動学的Jeans不安定性が特異な偏光を持つ集団的GWモードとして包含されることを示し、それは先験的に仮定されるのではなく、分散行列から導き出される。これは、対称性の考慮だけでは波の偏りを予測できないプラズマとのGW相互作用に、GW理論を系統的に拡張するための基礎を形成するものである。