ノーベル物理学賞:重力波天文学時代がついに幕開け

ノーベル物理学賞:重力波天文学時代がついに幕開け

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  • 更新日:2017/10/13
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スウェーデン・ストックホルムで、2017年のノーベル物理学賞受賞者を発表する王立科学アカデミーのメンバー(2017年10月3日撮影)。(c)AFP/Jonathan NACKSTRAND〔AFPBB News

先日、2017年度のノーベル賞が発表されました。医学・生理学賞は「体内時計を制御する分子機構の発見」に対して、物理学賞は「レーザー干渉計重力波検出器LIGO(ライゴ)と、最初の重力波検出」に対して、化学賞は「クライオ電子顕微鏡の開発」に対して与えられました。

文学賞、平和賞もあわせて全て紹介したいところですが、バイト数の限りもあるので、ここでは物理学賞について解説します。重力波についてはこの連載で何回も取り上げてきましたが、やはり受賞を祝って書かざるを得ないでしょう。

なお、化学賞を受賞したクライオ電子顕微鏡の開発については、東京大学大学院で低温物性物理を専攻した伊東乾先輩の記事を御覧ください。

(参考)「ノーベル化学賞:『二重らせん構造』ではないDNA」

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LIGOと重力波トリビア

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リビングストンのLIGO。 Photo:Caltech/MIT/LIGO Lab

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ハンフォードのLIGO。 Photo:Caltech/MIT/LIGO Lab

アメリカのルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに、「レーザー干渉計重力波検出器LIGO(ライゴ)」という、とんでもなく大きくて、史上最高に精密な装置があります。

LIGOは、長さ4kmの腕(パイプ)を2本、L字型に組み合わせた構造をしています。パイプの内部は超高真空に保たれ、そこをレーザーが行ったり来たりして、距離の変化を測ります。

この2台の装置は、2015年9月14日9時50分45秒(協定世界時)に、ちょっぴり伸び縮みしました。

宇宙からの重力波が初めて検出された、人類史に残る瞬間です。

2017年のノーベル物理学賞は、重力波の検出に対して授与されました。

ここではノーベル賞受賞を祝して、LIGOにまつわるトリビアを6~7発、紹介しましょう。

100年:アインシュタインの理論を100年後に実証

1915年にアインシュタインが発表した「一般相対性理論」によると、私たちの暮らすこの時間と空間は、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。そしてそのしわは、水面の波紋のように遠くまで伝わっていく場合があります。これを重力波と呼びます。

重力波は極めて弱く、物体にほんのわずかしか影響を与えません。そのため、重力波を検出しその存在を証明する試みは、100年間ひとつも成功しませんでした。

LIGOの腕がちょっぴり伸び縮みするのを測定したことで、アインシュタインの予言した重力波が検出され、相対性理論の正しさが証明されたのです。

そればかりでなく、LIGOはブラックホールという謎めいた「物体」の存在も同時に実証しました。

ブラックホールはやはり相対論から予言される存在で、強すぎる重力のために光すらも脱出できず、真っ黒に見えるといわれます。

ブラックホールは光を出さないので、望遠鏡を使っても直接は観測できず、存在の「証拠」も、これまではブラックホール周囲の物体を観測することによって得られていました。

ところがLIGOが検出した重力波は、2個のブラックホールが衝突・合体した時に放射されたものでした。これはブラックホールそのものから放射されたといってよい、直接的な証拠です。人類は初めてブラックホールを「見た」のです。

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2個のブラックホールの衝突シミュレーション画像。 Image:TheSXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

3個:太陽3個分の質量をエネルギーとして放射

LIGOの受信した重力波を詳しく解析したところ、私たちの太陽の36個分の質量を持つブラックホールと、29個分の質量のブラックホールが衝突したことが判明しました。ふたつのブラックホールは合体し、太陽62個分の質量のブラックホールになったことも分かりました。

この足し算は、なんだか計算が合いません。36と29を足すと65になるのではないでしょうか。太陽3個分の質量はどこへ行ったのでしょう。

消えた質量は重力波のエネルギーとなったのです。

相対性理論によると、エネルギーEと質量mは等価で、両者には「E=mc2」という関係があります。cは光速です。この衝突からは莫大なエネルギーが重力波として宇宙空間に放射されましたが、そのエネルギーを質量に換算すると太陽3個分に相当するのです。

この瞬間、宇宙に見える全ての星の光を合わせたよりも明るい重力波で宇宙は照らされました。

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ふたつのブラックホールの衝突と、エネルギーの放出。 Image:"The 2017 Nobel Prize in Physics - Press Release". Nobelprize.org

2年:検出からノーベル賞まで2年

重力波は2015年9月14日に検出され、その結果は2016年2月16日に発表されて世界を驚かしました。そして2017年10月3日にはノーベル物理学賞受賞が発表されました。検出から2年、発表から1年8カ月という異例の早さです。

ノーベル賞は選考に時間をかけることで有名で、大発見や大発明があっても、受賞まで何年も何十年もかかるのが普通です。若いころに成果を挙げた研究者が、すっかり業界の長老になってから、受賞することも珍しくありません。

短期間で受賞した例をこれまでの宇宙物理学分野で探すと、1974年、中性子星という特殊な天体の発見に対する授与があります。これは発見から受賞まで7年です。

今回の選考は、これを大幅に短縮するものです。どれほど重力波検出が衝撃的だったか、うかがわれます。

ちなみに受賞まで長期間かかった例には、1983年のスブラマニアン・チャンドラセカールの受賞があります。チャンドラセカールは1932年に「チャンドラセカール限界質量」の理論を発表しており、受賞まで実に半世紀かかっています。

1013人:論文著者が1013人

重力波初検出を報告する論文『ブラックホール合体からの重力波の観測』(The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, 2016, Phys. Rev. Lett. 116, 061102)には、著者が1013人います。著者リストは膨大で、1ページには収まりません。

(参考:1013人の著者を持つ論文)http://ads.nao.ac.jp/abs/2016PhRvL.116f1102A

これはチームの全メンバーがアルファベット順に並べられているためです。大きなグループによる研究成果の発表は、しばしば長大な著者リストを伴います。

その後、LIGOチームとチーム外の協力者はさらに増え、著者リストはどんどん長くなる傾向があります。重力波と他の望遠鏡の共同観測論文は、何千人もの著者を持つことになるでしょう。

21年:LIGO建設開始から本格稼働まで21年

LIGOが重力波を検出するまでには長い努力が必要でした。

レーザー干渉計を用いる重力波検出実験は、1960年代から試みられていました。今回の受賞者のひとり、マサチューセッツ工科大(MIT)のレイナー・ワイス教授は初期のパイオニアです。(パイオニアには他に、『竜の卵』などで知られるSF作家ロバート・L・フォワードなどがいます。) また同じく今回の受賞者であるカリフォルニア工科大(カルテク)のキップ・S・ソーン教授は、1970年代から実験を行なっていました。

LIGO計画はワイス教授とソーン教授を含むグループで始められ、1984年に予算がつけられ、プロトタイプの開発が始まりました。1990年にLIGO計画は3億ドルの予算(最終的には10億ドル)を獲得し、1994年には本格的な建造が始まりました。同時に、3人目の受賞者であるカルテクのバリー・C・バリッシュ教授が所長に就任しました(2005年まで)。

1代目のLIGOは1999年に竣工し、2002年に稼働を始めました。ただし、1代目は試作品で、本物の重力波を検出する能力はありませんでした。

LIGOはアップグレードされ、2代目LIGO(現在のLIGO)として生まれ変わりました。2代目LIGOは2015年に稼働を開始しました。1994年の建造開始から実に21年を要したのです。

2日:重力波検出は観測開始の2日前

実は、重力波初検出はLIGOの試験運用中のことでした。2代目LIGOの本格運用の前に、試験運用が行なわれていたのです。

本格運用を2日後に控えた2015年9月14日、本物の重力波が飛び込んできたとき、それはチームにとっても予想外で驚きだったのです。

?本:重力波天文学分野の今後のノーベル賞

LIGOは初検出以後も、着実に重力波を検出し、宇宙の今まで見ることのできなかった姿を明らかにしつつあります。

重力波天文学という新しい天文学が始まったのです。

2017年からはスペインのピサにある3台目の重力波検出装置が観測ネットワークに参加し、早速成果を挙げています。検出装置の数が増えると、重力波の到来方向が精確に分かります。すると他の望遠鏡でも観測することができて、情報量が飛躍的に増えるのです。

日本の重力波検出器「KAGRA(カグラ)」も、本格稼働が世界から期待されています。また、人工衛星を使った野心的な計画「LISA」も進行中です。

重力波天文学の分野は、これからがんがんノーベル賞を生産することが期待されます。

2017年は、その最初の年として記憶されることでしょう。

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