約11年後、人類史上最も野心的なミッションの一つが宇宙へ打ち上げられます。数十年かけて開発されてきたレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）は、重力波の検出を通じて宇宙への理解に革命をもたらす可能性があります。本稿では、この大胆なプロジェクトを可能にする科学の仕組みを詳細に解説します。
ハッブル宇宙望遠鏡は私たちの宇宙観を一新し、新たに打ち上げられたウェッブ宇宙望遠鏡も今、同じ変革を起こそうとしています。次の10年に打ち上げられる予定の、野心的で前例のない宇宙望遠鏡は、この伝統を引き継ぎつつ、これまで想像もできなかった方法でその可能性を広げます。重力波のような現象を捉える能力は、宇宙の最も神秘的な出来事への新たな窓を開く時空のさざ波です。
重力波とその重要性
私たちの宇宙は重力波で満ち溢れています。重力波とは、宇宙で最も質量の大きい天体である中性子星やブラックホールの運動によって生み出される、ほとんど目に見えない時空のさざ波です。重力波は光速で伝わりますが、誤解しないでください。重力波は光ではありません。しかし、質量の大きい天体の周りの重力場のように、重力波は光を歪ませるため、最も注意深い科学者、そして最も高感度の機器を持つ科学者だけにその存在を明らかにします。
2016年、レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）とVirgo共同研究グループは、巨大な発生源から放射される微小な波動を初めて検出したと発表しました。この波動は、宇宙の構造を伸縮させる性質を持っています。LIGO-Virgo-KAGRAの検出器ネットワークは、これまでに100回以上の重力波を検出しています。
重力波は、それを生成するシステムに関する多くの情報を提供し、科学者がブラックホールや中性子星の可能なサイズ、環境、メカニズムのカタログを改訂するのに役立ちます。
LIGOによる最初の重力波検出から10年近くが経ち、宇宙の現象として重力波の存在が確認されました。この現象は、物理学者アルバート・アインシュタインが1世紀前に予言したことで有名です。しかし、LISAはそれらの検出の何年も前から開発が進められていました。JILAの物理学者、故ピート・ベンダー氏によって30年以上前に初めて理論上で証明されていたのです。しかし、この非常に複雑な計画は1990年代後半に本格的に具体化し始め、1月にESAから正式にゴーサインが出されました。
「LISAは非常に複雑なため、当初提案された当初は誰も実現可能だとは信じていませんでした」と、エディンバラ王立天文台英国天文学技術センターの研究員であり、LISAへの英国ハードウェア提供の主任研究者であるユアン・フィッツシモンズ氏は、ギズモードとのビデオ通話で語った。フィッツシモンズ氏はLISAパスファインダーから始まり、現在は現在のミッションの光学ベンチの開発に携わるなど、18年間LISAに関わってきた。光学ベンチとは何か？その点については後ほど詳しく説明する。
重力波を発見する科学
重力波は光子で構成されていないため、裏庭に設置されているような望遠鏡や、既に宇宙に浮かんでいる数十億ドル規模の望遠鏡では観測できません。しかし、天文学者が研究対象としているのは光です。では、彼らはどのようにして時空のさざ波を観測するのでしょうか？答えは簡単です。レーザービームの精密測定です。
「LIGOとLISAの両方でレーザー干渉計を使用しています」と、LISA望遠鏡の開発を主導し、同ミッションの干渉計に携わったライアン・デローザ氏は、ギズモードとの電話インタビューで述べた。「つまり、レーザーの波長を物差しとして使い、長さが変化したかどうかを計算しているのです。」
LIGOでは、これらのレーザービームは地下に数マイルも続くトンネルに封じ込められており、通過する列車の騒音、風、さらには地球自体の振動さえも（科学者の能力の及ぶ限り）遮断されています。レーザービームは観測所内の鏡に反射されます。重力波がLIGOを通過する際、レーザー光がシステム内を反射するのにかかる時間から、物理学者は重力波イベントが私たちの宇宙のすぐ近くを通過したかどうかを判断します。
「しかし、それは定規が変化しない範囲でしか機能しません」とデローザ氏は付け加えた。言い換えれば、レーザービームがLISA宇宙船の間を天空を往復する間に、レーザーの周波数が少しでもずれれば、そこから得られるデータは役に立たなくなる。重力波とLISAの微妙な相互作用が失われてしまうのだ。
補足：レーザー干渉法は重力波を検出する唯一の方法ではありません。パルサータイミングアレイは、さらに長い波長の波紋を検出します。これらのアレイは、高速で回転するパルサーからの光の閃光のタイミングを追跡し、重力波が光子の通過を早めたり妨げたりしたタイミングを特定します。
なぜ宇宙に天文台を設置するのでしょうか?
最初の重力波が検出されて間もなく、NASAとESAはLISAパスファインダーを打ち上げました。これは、LISAの成功に不可欠な科学的コンポーネントをテストする概念実証ミッションです。具体的には、パスファインダーには2つのテスト質量が搭載されており、宇宙船内でほぼ完璧な重力自由落下が可能であり、正確に測定できることを証明しました。
LISAは「基本的に地球のような軌道で運用されます。（3機の）宇宙船はそれぞれ地球と似た軌道を太陽の周りを回っていますが、いずれも地球の後ろに位置しています」と、LISAプロジェクトの科学者であるアイラ・ソープ氏はギズモードとの電話インタビューで述べた。「それぞれがわずかに異なる傾斜角と軌道位相を持ち、結果として、驚くほど安定した三角形の衛星群が誕生するのです。」
ソープ氏はNASAを代表してLISAに取り組んでいますが、このミッションは実際にはESA主導の共同プロジェクトです。LISA、いや、LISAパスファインダーよりも前に、ソープ氏はLISAミッションの最初の試み（LISAとも呼ばれる）に関わっていました。「私たちは自分たちのブランドビジョンを気に入っています」とソープ氏は語りました。
ソープ氏によると、重力波検出器には主に2つの技術的課題がある。1つは、少なくとも2つの自由落下物体が必要であること、つまりそれらの質量に作用する唯一の力は重力であることだ。もう1つの課題は、それらの物体間の距離、つまり時空の曲率を測定することだ。
LISA の科学は LIGO の科学とどう違うのでしょうか?
「常に小さな数字を追い求めているわけですが、選択肢は二つあります」とデローザ氏は述べた。「長い距離にわたって極めて小さな長さの変化を測定する方法があります。それがLIGOの目的です。あるいは、非常に長い距離にわたって比較的小さな長さの変化を測定する方法があります。それがLISAの目的です。」
LIGOの腕の長さは、わずか（「たった！」）2.5マイル（4キロメートル）です。これはちっぽけというほかありません。LISAのレーザービームを発射する腕の長さがそれぞれ250万キロメートル（155万マイル）あることと比べれば、まさに微視的です。太陽の直径は139万キロメートル（86万4000マイル）なので、LISAの腕の長さは太陽の直径よりも長くなります。
だからといって、LIGO-Virgo-KAGRA共同研究チームが管理するような地上設置型の検出器が役に立たないということではありません。これらの検出器は様々な種類の事象を検出します。周波数の高い重力波は質量の小さい源から発生し、周波数の低い波は超大質量ブラックホールのようなはるかに大きな物体から発生します。LISAはLIGOよりも低い周波数帯域でデータを収集し、地上の機器では到底観測できない重力波源を明らかにします。
LIGOとは異なり、LISAでは「地球上での制約に対処する必要がない」とデローザ氏は述べた。これはいくつかの意味を持つ。まず、地球からの観測を妨害する厄介なノイズ源が、LISAでは問題にならないということだ。ミッションが軌道に乗り、地球の背後で巨大なブラックホール網のように回転すれば、あとはほぼ無人観測となる。
これは部分的には設計上の理由によるものです。デローザ氏が指摘するように、LISAに絶対に必要な部品以外の保守部品を搭載して打ち上げると、ロケットの搭載量が増え、故障の原因が増えるだけです。LISAはミッションの目的を達成するために必要な基本システムだけに絞り込むのが望ましいとされており、これは宇宙飛行において広く受け入れられている考え方です。
しかし、だからといってLISAの軌道上での経験が素晴らしいものになるわけではありません。最も穏やかな時でさえ、宇宙は過酷で容赦のない環境です。
LISA探査機が地球の牽引下で回転するにつれ、この衛星群は毎年「少しずつ呼吸している」とソープ氏は述べた。地球の重力は、LISAに最も近い探査機を回転時にわずかに強く引っ張り、探査機の位置をずらす。しかし、探査機のゆっくりとした移動は、概ね分から数時間単位で行われる重力波測定を行うチームの能力に影響を与えることはない。
LISAは望遠鏡ではなく、「ビームエキスパンダー」です
LISAがゆっくりと漂流していても、それが重力波測定の能力に影響を与えないということを覚えていますか？実は、LISAには望遠鏡システムが搭載されているからです。これは、レーザービームを光子の塊にして宇宙空間を何百万マイルも運ぶための重要な機構です。宇宙船が漂流するにつれて、望遠鏡はレーザービームを目標物に向けるように調整します。しかし、その機構の射程範囲には限りがあるとソープ氏は言います。
「最終的には、10年ほどかけて衛星群の歪みが大きくなり、調整機構の余裕がなくなるのです」とソープ氏は述べた。「つまり、これがLISAの寿命を決定づけるのです。」
「宇宙にレーザービームを発射すると、その大きさは一定ではありません」とデローザ氏は述べた。「伝播するにつれて、回折によってどんどん大きくなっていきます。」つまり、レーザーが光源から遠ざかるにつれて、その出力は弱まる。LISAの望遠鏡はこの問題を解決する。レーザービームの半径を数百倍に拡大することで、回折ビームがもう一方のLISA宇宙船に到達するまでに、アームに沿って十分な数の光子を届けられるようにするのだ。
「私たちはこれを望遠鏡と呼んでいますが、ビームエクスパンダーと考えた方が正確でしょう」とフィッツシモンズ氏は述べた。レーザービームをこのシステムに通すと、レーザーの反対側における単位面積あたりの光子数が増加し、宇宙船間で伝達される光量が最大化される。
デローザ氏によると、光学ベンチは「これらすべての測定と望遠鏡自体の基準面」として機能するという。つまり、物差しとして機能するのはレーザーの波長だけではない。光学ベンチはチームが測定対象としているため、それ自体が物差しとなるのだ。「光学ベンチと望遠鏡はどちらも実質的に物差しであり、どちらか一方が機能していなければ、測定は不可能です」とフィッツシモンズ氏は述べた。
LISA はいったい何を見るのでしょうか?
LISA は、地球上の干渉計では検出できない重力波源、つまり超大質量ブラックホールに捕らわれたコンパクトな天体や銀河の中心にある超大質量連星のような、波の周期が長い源を検出できるようになります。
LISAは、私たちの天の川銀河で合体中の白色矮星や、合体中の中質量ブラックホール（少なくとも天文学者の知る限り、宇宙には存在しないことで有名）、そしておそらくこれまで知られていなかった異質な天体も発見できるだろう。
理論は観測を生み、観測は理論を生みます。LIGOが重力波を発見したことは、アインシュタインの理論を実証しただけでなく、宇宙の成り立ちに関するより高度な考えを実証する新たな場を提供しました。LISAは、宇宙に散在し、生命が周回するコンパクト天体について、より多くのことを明らかにするでしょう。天の川銀河の中心には、太陽の約400万倍の質量を持つブラックホールがあります。LISAが調査する超大質量ブラックホールの多くは、それよりもはるかに大きいもの（太陽質量の10の4 乗から10の7乗倍）です。
最大の課題はまだこれからだ
LISAは数十年かけて開発が進められてきた16億ドル規模のプロジェクトです。現在、ESAとNASAのチームは、宇宙に送り込まれる実際のハードウェアを製造しています。「LISAの最大の課題は、それが正常に動作することを確認することです。なぜなら、その多くは地上でテストできないからです」とフィッツシモンズ氏は言います。「宇宙船エンジニアリングの特徴の一つは、ごく限られた例外を除いて、一度打ち上げてしまうと修理できないことです。」つまり、チームには正しい軌道に乗せるチャンスが一度しかないのです。
「これは宇宙に設置された干渉計です」とデローザ氏は言った。「通常、宇宙に行くにはロケットを使わなければなりません。ロケットには打ち上げ時の荷重や衝撃、そして大きな熱変動があります。それに、私の望遠鏡はすべてガラスでできています。」
これはまさに文字通りの表現です。金属は温度変化によって膨張したり収縮したりするため、わずかな温度変化でもLISAの測定に支障をきたします。そのため、チームは望遠鏡の構造にガラスを多用しています。ガラスは脆い一方で強度も備えており、LISAが宇宙空間を回転する際には有効な素材です。しかし、LISAを無傷で打ち上げるのは、より困難な作業となるでしょう。
宇宙船の光学ベンチは、特殊なロボット統合システムによって組み立てられており、水酸化触媒接合を用いて光学素子をベースプレートにピコメートルレベルの精度で固定しています。ベンチの大部分はガラスとセラミックで作られており、この接合技術は「基本的に光学素子とベースプレートの間にガラスを成長させる」ものだとフィッツシモンズ氏は述べています。チームは、いくつかのプロトタイプと「誰かが落とした場合に備えて」2つの予備を含め、10個のベンチを製作中です。
LISAの打ち上げまではまだ何年もかかるが、この大がかりな取り組みは、天体物理学の礎石の一つであるブラックホールとそれが時空を形成する仕組みを解明する、今世紀の目玉プロジェクトとなる。
