16億ドルかけて次の10年に打ち上げられる予定の重力波観測装置LISAは、1世紀以上前に初めて予測され、わずか8年前に検出された時空の微小な摂動である重力波の観測方法に革命をもたらすだろう。
秋には、LISAの設計と、この未来的な宇宙船を宇宙に打ち上げるために克服しなければならない技術的課題について深く掘り下げた記事を掲載しました。今回は、欧州宇宙機関（ESA）主導のミッションで実際に収集されるデータについて、科学者たちに話を聞きました。そのデータからどのような知見が得られるのか、そして重力の波紋の源から、その反響が宇宙を形作る仕組みに至るまで、宇宙に関する私たちの理解をどのように変える可能性があるのかを考察します。
LISA: シンプルでありながら正確
LISAはレーザー干渉計宇宙アンテナ（Laser Interferometer Space Antenna）の略で、太陽を周回する3機の宇宙船で構成されています。LISAは干渉計であり、このミッションではレーザー干渉計を用いて重力波を探知します。レーザー干渉計とは、長さ約800万キロメートル（500万マイル）の非常に高精度なレーザービームを用いて質量間の距離を測定するもので、LISAの三角形の各辺は、その長さの約250万キロメートル（160万マイル）を占めます。
レーザーは極めて重要ですが、LISAの設計の一部に過ぎません。3機のLISA宇宙船それぞれに搭載された3つの金属製キューブ間の距離を測る尺度に過ぎません。キューブは、作用する可能性のある磁気を最小限に抑えるため、金とプラチナの合金で作られています。繰り返しますが、LISAの目標は、これらのキューブに時空と、それに伴う重力の波動以外、一切触れることなく宇宙を巡航することです。
「この設計の基本的な考え方は、これらの立方体を打ち上げることです」と、アメリカ自然史博物館の天体物理学者サーヴィク・フォード氏はギズモードとの電話インタビューで述べた。「ただそこに座って、他の力が作用しない時空の喜びを体験してもらいたいだけなのです。そして、その最後の部分こそが難しいのです。」
「金とプラチナの塊が落下する間、宇宙船自体が塊の中に漂い込んで衝突しないように宇宙船を操縦する必要がある。衝突したら大変なことになる」とフォード氏は付け加えた。
LISAの複雑さを理解する上で、当時フォードの大学院生だったジェイク・ポスティリオーネは、次のような例えを挙げている。「この技術的な課題は、ニューヨークからロサンゼルスへレーザーを発射し（地球が平面だと仮定した場合）、ショウジョウバエの眼球に命中させようとするようなものです。しかも、その動作はレーザーとショウジョウバエの両方が動いている中で行われます。」
フォード氏は、エンジニアリング上の課題の規模は「率直に言って衝撃的だ」とし、「それが私の部署でなくて本当に良かった」と語った。
NASA は、レーザー システム、望遠鏡システム、テスト キューブの電荷レベルを管理するデバイスなど、LISA の計測機器のいくつかの要素を提供します。
周回する物体の周波数は、それらが互いの周りを一周する頻度によって決まります。私たちの重力波検出器は、様々な理由から特定の周波数の検出に優れていますが、既存の検出器にはどれも大きな制約があります。それは、検出器が地球上に固定されていることです。
古代のブラックホールに関する宇宙ベースの予言
重力波検出器は、検出する軌道周波数の種類が異なります。地上の検出器、特にLIGO-Virgo-KAGRA共同研究は、恒星サイズのブラックホールのような小さな質量に対応する高周波数の検出に優れています。しかし、質量が少し大きくなると、例えば太陽の200倍を超えると、その軌道周波数は地球が生み出すノイズと同程度の範囲になります。
「基本的に、地球自体があまりにもノイズが多い周波数帯があり、地上の問題はそれだけです」とフォード氏は述べた。「文字通り、そんなことは不可能です。何らかの方法で宇宙に行くしかないのです。」
宇宙では、パルサータイミングアレイは、地球も含めた巨大ブラックホールの観測に有用な指標となります。この観測装置では、地球上の観測所が高速回転する天体（パルサー）からの信頼性の高い閃光を観測します。地球への光のタイミングがわずかに遅れたり早まったりすると、重力波によって時空が引き伸ばされたり圧縮されたりしたことを示しています。2023年には、パルサータイミングアレイの共同研究グループが、パルサーデータに重力波背景の強力な証拠を発見しました。
パルサータイミングアレイが観測するブラックホールは、通常、太陽の数十億倍の質量を持ち、巨大銀河の中心に位置しています。天の川銀河の中心にあるいて座A*（太陽質量約400万）をはるかに凌駕する質量です。ブラックホールを粥だとしたら、LISAはまさにゴルディロックスです。このミッションは、地球上の検出器ではノイズとの区別がほぼ不可能な低周波重力波を感知します。とはいえ、この宇宙探査機は、巨大ブラックホールの合体（恒星サイズのブラックホールが超大質量ブラックホールに落ち込む現象）や、密集したコンパクト天体の連星系、その他の天体バーストや背景放射を検出できる可能性があります。
「パルサーのタイミングアレイは、非常に低い周波数における巨大ブラックホール連星の確率的背景に関する情報を提供してくれます。そしてLIGOは、様々な恒星質量コンパクト天体の合体ファミリーの速度に基本的に上限を設定しました」と、ジョンズ・ホプキンス大学の理論物理学者エマヌエーレ・ベルティ氏はギズモードとのビデオ通話で述べた。「考え方は様々に変化してきましたが、LISAでできる最も興味深い科学は、巨大ブラックホール連星の合体に集中していると言えるでしょう。なぜなら、それは地上では探査できないものだからです。」
宇宙のノイズを回避する
LISAは宇宙空間において地球上よりもはるかに擾乱が少なく、理想的にはゼロですが、宇宙のノイズを選別する必要があります。宇宙には、重力波も放出するため、ブラックホールの観測をはるかに困難にする天体が存在します。こうしたコンパクトな侵入者の中で最も厄介なのは、白色矮星連星です。これは、かつて恒星だった小さな殻が互いの周りを公転し、最終的に合体し、その過程でミキサーの泡立て器のように時空をかき混ぜるものです。このノイズの例外となるのは、連星が非常に顕著で、個別に検出してその正体を認識できる場合です。宇宙における諸刃の剣とも言えるこれらの「検証連星」は、ミッションが軌道に乗った後、天文学者がLISAの性能を確認するのに役立つでしょう。
NASAによると、LISAは数百万もの音源からのノイズを同時に検出し、その多くは銀河系内にあるとのことです。科学者たちは膨大な量のデータ処理と、宇宙の既知の天体に関する既存の理論やモデルへの適合によって、良いものと悪いものを選別します。LISAの打ち上げまで10年以上あると予想されているため、科学者たちは本番に備え、模擬データチャレンジに取り組んでいます。
宇宙の進化をたどる
「天体物理学には実は二つの疑問しかありません。『私たちはどのようにしてここに来たのか？』と『私たちは孤独なのか？』です」とフォード氏は語った。「私たちのあらゆる研究は、どちらか一方の疑問、あるいは時には両方の疑問のほんの一部に答えることを目指しています。」
「一般的に言って、私たちは『我々は孤独なのか？』という問いに答えるためにブラックホール研究をしているわけではありません」とフォード氏は付け加えた。「しかし、『我々はどのようにしてここに至ったのか？』という問いは、ブラックホールを理解する上で非常に重要です。」
星の誕生、生涯、そして死、そしてこれらの核融合炉が元素生成において果たす役割を理解することは、ブラックホールの存在と密接に結びついています。さらに、銀河によって形成される星の種類とその量は、銀河の中心にあるブラックホールの質量と挙動と関連している可能性があります。ブラックホールは、星の物質をげっぷのように吐き出して宇宙空間に放出するなど、厄介な存在であり、周囲の宇宙の進化に積極的に関与しています。
「いわゆる「リトル・レッド・ドット」に関する論文がいくつかあり、微弱なAGN（活動銀河核、超大質量ブラックホールによってエネルギーを供給される銀河の輝く中心核）が、おそらく巨大ブラックホールの集積によって生じていることを指摘しています」とベルティ氏は述べた。「これらの証拠はすべて、巨大ブラックホールが宇宙の歴史のかなり初期に存在していたに違いないことを改めて示しています。これは常に謎でしたが、ますます謎になりつつあります。」
ウェッブ宇宙望遠鏡による「リトル・レッド・ドット」の観測では、宇宙が6億歳から15億歳の間だった頃の光の斑点が捉えられている。最近の研究では、これらの点はこれまで隠されていた初期宇宙におけるブラックホールの成長の兆候であることが示唆されており、また、宇宙論モデルは報道されているように「破綻」しているわけではない。しかし、LISAの観測は、謎に包まれた光源の正確な性質を明らかにするのに役立つだろう。
LISAはブラックホールの攪拌を観測し、宇宙におけるコンパクト天体の配列をより詳細に特徴づけます。その情報は、既存の宇宙論モデルや、アインシュタインの一般相対性理論といった主流の理論にも応用できます。地上の真実のデータ（いわば宇宙に関するデータです）は、宇宙に関する既存の考えを検証する上で説得力のあるテストとなるでしょう。その一つは、2015年にLIGOが初めて重力波を検出した際に実証されたことで有名です。漆黒の時空の彼方には、未知のものが数多く存在しますが、LISAの科学者たちは、宇宙の最も根源的な謎の幕を、たとえほんの少しでも開けようと決意しています。
この記事は、LISA ミッションにおける ESA の主導的役割を明確にするために更新されました。
