科学者は“ブラックホールの歌”から量子重力の手がかりをつかもうとしている

Einsteinが提唱した一般相対性理論は、質量によって時空が湾曲することを説明するものだ。このアプローチでは、重力を時空の湾曲としてとらえ直している。

この理論は、宇宙を理解する上で非常に重要なものだが、物理学者たちは、この理論が最終的な結論ではないかもしれないと主張している。一般相対性理論と量子物理学の融合を目指す量子重力理論が、宇宙の営みの根底にある最も基本的な原理を理解するカギを握っていると主張しているのだ。

重力が最も強くなるブラックホール同士の強力な衝突は、量子重力の兆候を探すための一つの場所である。衝突したブラックホールは、周囲の時空を揺るがし、重力波と呼ばれる波紋を四方八方に広げていく。

カリフォルニア工科大学とマサチューセッツ工科大学が運営する全米科学財団が出資するLIGOは、一般相対性理論をさらに厳しく検証するための新しい方法を発表した。科学者たちは、ブラックホールの構造とそれが引き起こす時空の波紋を詳細に調べることによって、量子重力の存在を示唆するような一般相対性理論の小さな逸脱を探っている。

両研究の共著者であるカリフォルニア工科大学のYanbei Chen教授は、「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ができると、最終的なブラックホールは鐘のように鳴り響く。量子重力のある理論が正しければ、その鳴り方の質、つまり音色は一般相対性理論の予測とは異なるかもしれません。私たちの手法は、この鳴り響く位相の質の違い、例えば倍音と倍音の違いを探すためのものです」と、説明する。

2つの調査のうちの1つで、研究者達は、特定の量子重力理論や、いわゆる一般相対性理論を超えた領域の文脈で、ブラックホールの共鳴を特徴づけるための、1つの新しい方程式を発表した。

この研究は、カリフォルニア工科大学のロビンソン理論天体物理学教授であるSaul Teukolsky氏が50年前に作成した革新的な方程式を発展させたものだ。時空間の幾何学的な波紋がブラックホールの周囲をどのように伝播するかを理解するために、Teukolskyは難解な方程式を作成した。

カリフォルニア工科大学の大学院生、Dongjun Li氏は「ブラックホール合併のアインシュタイン方程式をすべて解いて正確にシミュレーションしようと思ったら、スーパーコンピューターに頼らざるを得ません」と語る。「数値相対性理論は、ブラックホール合体を正確にシミュレーションするために非常に重要であり、LIGOのデータを解釈するための重要な基礎となるものです。しかし、物理学者が数値結果から直接直感を得ることは非常に困難です。Teukolsky方程式は、リングダウン段階で何が起こっているのかを直感的に知ることができます」。

「我々の新しい方程式は、アインシュタインが予測したよりもエキゾチックな、ブラックホール周辺を伝播する重力波をモデル化して理解することを可能にします」と、Li氏は説明する。

2つ目の研究は、LIGOとそのパートナーが次の観測で取得する実際のデータにLi氏の方程式を適用する新しい方法について説明している。このデータ処理方法は、一般相対性理論で予測されるブラックホールの共鳴の特徴を、一連のフィルターを使って取り除き、一般相対性理論を超えた微妙な兆候を特定する。

カリフォルニア工科大学の大学院生、Sizheng Maは次のように述べている。「LIGO、Virgo、KAGRAが収集するデータから、Dongjunの方程式で記述される特徴を探すことができます。Dongjunは、複雑な方程式の大きなセットをたった1つの方程式に変換する方法を見つけたので、これはとてつもなく便利です。この方程式は、以前の方法よりも効率的で、使いやすいものです」。

Li氏は、「この2つの研究は、お互いをよく補完し合っています。私は当初、私の方程式が予測するシグネチャーが、複数の倍音やハーモニクスに埋もれてしまうのではないかと心配していました。幸いなことに、Sizhengのフィルターは、これらの既知の特徴をすべて取り除くことができるので、違いに焦点を当てることができるのです」と説明した。

LIGOがアップグレードのために3年間停止していた後、つい最近再稼働したため、量子重力のアイデアをテストすることができるようになる日も近いと思われる。

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