天体物理学者が重力波の背景音の確固たる証拠を報告
天体物理学者たちは、遠くの星からの電波パルスのタイミングを調べる15年分の超精密測定に基づき、宇宙に広がる重力波の低周波の「ハム音」のこれまでで最も確かな証拠を発見した。
天体物理学ジャーナルレターズに新たに発表されたこの証拠は、米国、カナダのほか、欧州、インド、オーストラリア、中国で研究している複数の研究者チームによるものだ。
研究チームは、パルサーと呼ばれる超高密度で回転する星、計115個からの電波放射を観測した。そのうち約70個のパルサーは、北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav）によって観測された。
「これは、非常に低い周波数における重力波の重要な証拠です」と、今回の探索を共同で主導し、NANOGravコラボレーションの現議長を務めるヴァンダービルト大学のスティーブン・テイラー氏は本日のニュースリリースで述べた。「長年の研究を経て、NANOGravは重力波宇宙への全く新しい窓を開きつつあります。」
NANOGravコラボレーションには、ワシントン大学ボセル校、オレゴン州立大学、ブリティッシュコロンビア大学の研究者を含む170名以上のメンバーが参加しています。オレゴン州立大学の物理学教授で、以前はウィスコンシン大学ボセル校でポスドク研究員を務めていたジェフ・ハズボーン氏は、NANOGravでの取り組みは「本当に素晴らしい」と述べています。
「昨今の大きな問題解決には、本当に多くの人の協力が必要で、コラボレーションこそが物事を成し遂げる素晴らしい方法だと断言できます」と彼はGeekWireに語った。「ご存知の通り、パンデミックの2年前からZoomを使っていましたからね。」
ハズボーン氏は、自身の主な役割は「我々が見ているものが、我々が考えている通りのものかを確認すること、そして我々のパルサーアレイが重力波の検出器としてどれほど感度があるのかを理解すること」だと語った。
銀河規模の検出器
パルサーは、星の自転に合わせて回転するビーム状の電波を放射します。灯台の回転するスポットライトのようなものです。最も高速に回転するパルサーは1秒間に数百回回転するため、超高精度の宇宙時計として機能することができます。
1990年代半ば、科学者たちは、パルサーからの電波フラッシュのタイミングを理論的に利用すれば、2つの超大質量ブラックホールの相互作用などの強力な現象によって生成される重力波を検出できると考えた。
このような波は、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、時空構造に微妙な歪みの波紋を生み出すはずである。地球上の観測者にとっては、電波パルスのタイミングがわずかにずれているように見えるだろう。
レーザー干渉計重力波観測装置（LIGO）などの地上実験では、小型から中型のブラックホールに関連する高周波重力波が検出されています。しかし、超大質量ブラックホールは別の話です。LIGOが観測してきたブラックホールの質量の何百万倍も大きいのです。これらの巨大ブラックホールが相互作用する際に放出すると考えられる低周波重力波を、地上の検出器で検出することは不可能でしょう。
「注目すべき重要な点は、私たちの検出器が地球上だけでなく、太陽系内にも設置されているわけではないということです」とテイラー氏は、今回の成果に関する電話会議で記者団に語った。「私たちは、天の川銀河全体にわたるパルサーのタイミングを計測するという数十年にわたる手法を用いており、実質的にはそれらを使って銀河規模の重力波アンテナを構築しているのです。」
これは容易な作業ではありません。「パルサーは実は非常に微弱な電波源なので、この実験を実行するには世界最大級の望遠鏡で年間数千時間観測する必要があります」と、ウェストバージニア大学のモーラ・マクラフリン氏は述べました。マクラフリン氏はNANOGrav物理フロンティアセンターの共同所長です。NANOGravの電波観測は、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡、ニューメキシコ州の超大型干渉電波望遠鏡（VLA）、そしてプエルトリコのアレシボ天文台（2020年末に崩壊）を用いて行われました。
Dワードを使わない
長年にわたり、NANOGravをはじめとする共同研究チームは、低周波重力波の検出に徐々に近づいてきました。しかし、マクラフリン氏と彼女の同僚たちは、まだ「D」という言葉を使う準備ができていないと述べています。
「『検出』を報告しているわけではありません」と彼女は記者団に語った。「言葉遣いには細心の注意を払っており、これを重力波の『証拠』と呼んでいます」
彼女が慎重な理由は、これまでの研究結果の統計分析に関係している。結果の有意性を測る重要な指標は標準偏差、つまり「シグマ」である。物理学者は、2012年のヒッグス粒子の発見のように、公式の発見には5シグマの評価が付くことを望んでいる。しかし、パルサーのタイミングを研究しているグループはまだどれも5シグマの結果を報告していない。
中国の研究チームの報告は、信頼度4.6シグマで最も近い。これは、報告が単なる誤報である確率が100万分の2に等しいことを意味する。「しかし、これは非常に短いデータセットの3年間のデータに基づいているだけなので、その妥当性を真に評価したり、そこから天体物理学的な要素を引き出したりするのは非常に困難です」とマクラフリン氏は述べた。
NANOGravの研究者たちは、すべてのパルサータイミンググループの結果が統合されれば、おそらく1～2年後には5シグマのハードルをクリアできると予想している。「この種のデータ統合によって重力波の感度が向上することを期待しています」と、NANOGravのパルサータイミングワーキンググループの議長であるコーネル大学のサンクフル・クロマティ氏は述べた。
ハム音の原因は何でしょうか?
NANOGrav チームは、これまでの分析に基づき、重力波のパターンを説明する最良の方法は、群衆の中で重なり合う声や、オーケストラの演奏者が楽器を調律しているときに聞こえる騒音に似た、背景のハム音であると述べている。
「重力波の証拠が得られた今、次のステップは観測結果を用いてこのハミング音の発生源を研究することです」と、ウィスコンシン大学ミルウォーキー校の天体物理学者サラ・ヴィーゲランド氏は述べた。「一つの可能性として、この信号は太陽の何百万倍、何十億倍もの質量を持つ超大質量ブラックホールのペアから来ている可能性があります。これらの巨大なブラックホールが互いの周りを周回する際に、低周波の重力波が発生します。」
しかし、可能性はそれだけではない。ノースウェスタン大学のルーク・ゾルタン・ケリー氏（NANOGravの天体物理学ワーキンググループの議長）は、今回の結果は「宇宙初期における宇宙論的過程、あるいはインフレーション過程によって生成された重力波という新しい物理学とも整合している」と述べた。理論家たちは既に別の説明を考案している。
NANOGrav と他のパルサータイミンググループは、どの可能性が最も合理的かを判断するために、より多くのデータを収集する必要があります。
「答えはおそらくもっと複雑で、実際には様々なプロセスが混ざり合っており、超大質量ブラックホール連星がどこかに混ざっていない可能性は低いでしょう」とテイラー氏は述べた。「私たちは、これらすべての異なるパラメータとプロセスに同時に制約を課そうとしているのです。」
次は何?
ハズボーン氏は、パルサーのタイミング技術とLIGOのような地球上の干渉計が、重力波スペクトルのさまざまな端を観測するさまざまな方法を提供していると述べた。
「宇宙の他の部分を電波、紫外線、赤外線で観測するようなものです」と彼は説明した。「電磁スペクトルの異なる部分を見るには、異なる検出器が必要です。重力波でも同じです。」
今後数十年で、さらに多くの種類の検出器が重力波スペクトルのギャップを埋めると予想されています。
「宇宙重力波検出器を構築する中国のプロジェクト（天琴と太極）がいくつかあり、欧州とNASAの共同プロジェクト（LISA）もあります」とハズボーン氏は言う。「これらの検出器は、パルサーのタイミングの非常に低い周波数からLIGOの周波数の高い周波数までの範囲で感度を持っています。」
NANOGrav 15 年データセットに関する天体物理学ジャーナルレターの研究:
- 重力波背景の証拠
- 68ミリ秒パルサーの観測とタイミング
- 検出器の特性評価とノイズバジェット
- 新しい物理学からのシグナルの探索
低周波重力波に焦点を当てた他の研究:
- 中国パルサータイミングアレイデータリリースIによるナノヘルツ確率重力波背景の探索
- パークスパルサータイミングアレイによる等方性重力波背景の探索
- 重力波背景帰無仮説：パークスパルサータイミングアレイによるミリ秒パルサー到着時刻のノイズ特性
NANOGrav チームのメンバーは、他のパルサータイミンググループと連携して、木曜日の午前 10 時 (太平洋標準時) にライブストリーミングされるプレゼンテーションでその結果について説明する予定です。
