重力波で見る宇宙

重力波は、時空のゆがみの変化が伝わる現象です。ブラックホールや中性子星の連星が合体する際の信号は、光だけでは調べにくい天体の質量や運動を伝え、宇宙観測に新しい手段を加えました。

どんな運動が波をつくるか

重力波は一般相対論が予測する現象で、光速で伝わります。単に重い物体があるだけで強い重力波が出続けるわけではなく、質量分布の非対称な変化が重要です。連星は重力波としてエネルギーを失い、互いに近づいて公転が速くなります。完全に球対称な膨張や収縮は重力波を放射しないため、爆発の規模だけで信号の強さを決めることもできません。

距離のわずかな変化を測る

レーザー干渉計は、直交する二方向を進む光を比べ、腕の相対的な長さの変化を測ります。重力波による変化は非常に小さく、地面の振動、熱、光の量子的な揺らぎなどを抑える必要があります。長い腕だけを用意すれば十分ではなく、真空、鏡の支持、較正、環境の監視が重要です。離れた観測所で整合する信号を得ることが、局所的な雑音との区別を助けます。

チャープから質量を読む

合体へ近づく連星の信号は、周波数と振幅が増すチャープという特徴を示します。理論波形と観測データを比較すると、質量、回転、距離などを推定できます。ただしこれらの量には相関があり、波形を一目見ればすべて一意に決まるわけではありません。天体の向きも振幅に影響します。推定値には不確かさの範囲と、用いた波形モデルの仮定を付ける必要があります。

光と組み合わせる強み

中性子星合体のGW170817では重力波と電磁波が組み合わされ、同じ出来事を異なる信号で調べる例になりました。重力波は合体前の軌道運動を、可視光や赤外線は放出された物質などを主に探ります。ガンマ線などとの到達時刻も情報になります。ただしブラックホール同士の合体など、周囲の物質が乏しい場合には明るい光の対応天体が見つからないこともあります。

観測できる周波数帯の違い

地上の干渉計、宇宙で計画・開発される干渉計、パルサーの到着時刻を用いる観測は、それぞれ違う周波数帯を対象にします。低周波ではより重い連星などを調べられるため、競合するだけでなく相補的な方法です。「重力波を検出した」という表現でも、個別合体の波形なのか、多数の源が重なった背景の統計なのかを区別します。信号の解釈には検出法と対象帯域が欠かせません。

関連項目