銀河系サイズの検出器を用いて、超大質量ブラックホール対から重力波が発生していることを示す、これまでで最強の証拠を発見

The Conversation
投稿日 2023年6月29日 15:46
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ブラックホールやその他の巨大で高密度の天体が互いに渦を巻くと、重力波と呼ばれる空間と時間の波紋が生じる。この波動は、謎めいた宇宙の巨人を研究するための数少ない方法のひとつである。

天文学者は、ブラックホールの衝突による高周波の「チャープ音」を観測してきたが、超大質量ブラックホールが互いに周回する超低周波の「ゴロゴロ音」を検出するのは難しいことがわかっている。何十年もの間、私たちはパルサー(灯台のように脈打つ星の一種)を観測し、そのかすかなさざ波を探してきた。

今日、私たちのParkes Pulsar Timing Arrayを含む世界中のパルサー研究共同体が、これらの波の存在を示すこれまでで最強の証拠を発表した。

重力波とは何か?

1915年、ドイツ生まれの物理学者Albert Einsteinは、重力の本質に関する画期的な洞察、すなわち一般相対性理論を発表した。

この理論では、宇宙は時空と呼ばれる4次元の「布」であり、伸びたり、縮んだり、曲がったり、ねじれたりすると説明されている。巨大な物体はこの布を歪ませ、重力を発生させる。

この理論の不思議な帰結は、質量の大きな物体の運動によって、重力波と呼ばれる波紋がこの布に生じ、それが光速で広がることである。

ほんのわずかな波紋を生み出すには、膨大なエネルギーが必要なのだ。このため、Einsteinは重力波が直接観測されることはないと確信していた。

それから100年後、LIGOとVirgoの共同研究チームは、2つのブラックホールの衝突を目撃し、重力波のバーストが宇宙全体に鳴り響いた。

この発見から7年後、オーストラリア、中国、ヨーロッパ、インド、北米の電波天文学者が、超低周波重力波の証拠を発見した。

ゆっくりと鳴り響く重力波

2016年に報告された突然の重力波のバーストとは異なり、この超低周波重力波は数年から数十年かけて振動する。

この重力波は、宇宙全体の遠方にある銀河の中心を周回する超大質量ブラックホールのペアによって生成されると予想されている。これらの重力波を見つけるためには、科学者たちは銀河ほどの大きさの検出器を作る必要がある。

あるいは、パルサーを使うこともできる。パルサーはすでに銀河系全体に広がっており、そのパルスは正確な時計のように規則正しく我々の望遠鏡に届く。

CSIROのパーク電波望遠鏡Murriyangでは、このようなパルサーを20年近く観測している。私たちのParkes Pulsar Timing Arrayは、最新のデータセットに重力波のヒントが含まれていることを発表した世界各地の共同研究機関のひとつである。

中国(CPTA)、ヨーロッパとインド(EPTAとInPTA)、北米(NANOGrav)の他の共同研究チームも同様のシグナルを見ている。

私たちが探している信号は、宇宙に存在するすべての超大質量ブラックホールによって生成される重力波のランダムな「海」である。

これらの波を観測することは、Einsteinの理論の新たな勝利であるだけでなく、宇宙における銀河の歴史を理解する上で重要な結果をもたらす。超巨大ブラックホールは、銀河の中心でガスを供給し、星形成を制御するエンジンである。

この信号は低周波のゴロゴロ音として現れ、アレイ内のすべてのパルサーに共通である。重力波が地球に押し寄せると、パルサーの見かけの自転速度に影響を与える。

これらの波によって銀河系が引き伸ばされ、圧迫されることで、最終的にパルサーまでの距離はわずか数十メートルしか変わらない。パルサーまでの距離が通常約1,000光年(約10,000,000,000,000,000メートル)であることを考えると、これは大したことではない。

驚くべきことに、このような時空のずれをパルスのナノ秒の遅れとして観測することができる。パルサーは安定した自然時計であるため、電波天文学者は比較的容易に追跡することができる。

何が発表されたのか?

超低周波の重力波は振動するのに何年もかかるため、信号はゆっくりと現れると予想されている。

最初に電波天文学者がパルサーに共通するゴロゴロ音を観測したが、その起源は不明だった。

そして今、世界中のパルサー・タイミング・アレイの共同研究によって観測されたこの信号の属性として、重力波特有の指紋が現れ始めている。

このフィンガープリントは、パルサーペア間のパルス遅延の類似性と分離角の間の特定の関係を記述する。

この関係は、地球の時空が引き伸ばされ、パルサーまでの距離が方向によって変化するために生じる。例えば、天空で近くにあるパルサーは、直角に離れたパルサーよりも類似した信号を示す。

この飛躍的な進歩は、我々の観測所の技術向上によって可能になった。Parkes Pulsar Timing Arrayは、Murriyangに設置された高度な受信機と信号処理技術のおかげで、最も長い高品質のデータセットを有している。この技術により、この望遠鏡は、重力波探査のために世界中の共同研究が使用している最高のパルサーの多くを発見することができた。

私たちや他の共同研究者による以前の結果では、重力波から予想される信号がパルサーの観測から欠落していた。

今、私たちはシグナルを比較的明瞭に見ることができるようだ。長いデータセットをより短い “時間スライス “に分割することで、信号が時間とともに大きくなっているように見える。この観測の根本的な原因は不明だが、重力波が予期せぬ振る舞いを見せているのかもしれない。

超低周波重力波の新たな証拠は、天文学者にとって刺激的である。これらのシグネチャーを確認するためには、世界的な共同研究がそれぞれのデータセットを組み合わせる必要がある。

この結合されたデータセットを作成する努力は、国際パルサー・タイミング・アレイ・プロジェクトの下で現在進行中であり、そのメンバーは先週ファーノース・クイーンズランドのポートダグラスで会合を開いた。オーストラリアと南アフリカに建設中のスクエア・キロ・アレイのような将来の観測所は、これらの研究を宇宙の歴史に関する豊富な知識の源に変えていくだろう。


本記事は、Daniel Reardon氏とAndrew Zic氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Using a detector the size of a galaxy, astronomers find strongest evidence yet for gravitational waves from supermassive black hole pairs」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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