天体物理学者たちは、高速で回転する数十個の死んだ星からの信号を利用して、宇宙における重力波の背景振動を検出するという目標の実現に近づいた。
2016年に重力波の存在が確認されたことで、天体物理学研究の新たな分野が開拓されました。2つのブラックホールが衝突し、時空の構造にさざ波が広がりました。このさざ波は、レーザー干渉計重力波観測所の高感度機器に瞬時的な変化を引き起こし、地球上で検出されました。それ以来、科学者たちは巨大衝突によって発生した重力波をさらに多く検出するとともに、いわゆる重力波背景放射を観測する方法も模索してきました。比喩的に言えば、私たちは地球という船を揺さぶるほどの大きな波を検出し、今度は宇宙の海で渦巻く波の混沌とした全体を観測したいと考えています。
先月、北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOG）は最新のデータセットを天体物理学ジャーナル・レターズ誌に発表しました。このデータ（12年半分）は、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡と、最近崩壊したプエルトリコのアレシボ天文台による観測からまとめられました。論文では、45個のパルサーからの光に見られる、おそらく特徴的なパターンについて説明されており、重力波背景放射の特定に向けた一歩となります。
「私たちが具体的に発見したのは低周波信号で、これはこのアレイ内のすべてのパルサーに共通する信号です」と、コロラド大学ボルダー校の天体物理学者で、最近の論文の筆頭著者であるジョセフ・サイモン氏は本日の記者会見で述べた。サイモン氏は、この信号は「重力波背景放射の最初の兆候となると期待されるものです」と述べた。
パルサーは、死んだ恒星の残骸であり、高密度で回転しています。ミリ秒パルサーは毎秒数百回という極めて高速に回転し、そのうち少数のパルサーは安定して回転するため、地球とパルサーの相対的な位置の微細な変化を研究者が記録することが可能です。研究チームは、天の川銀河のパルサーから発射される電波パルスをアレイ状に利用することで、超大質量ブラックホールの衝突ではなく、その軌道によって発生する低周波重力波を検出する銀河規模の検出器ネットワークを効果的に構築しました。研究チームが探査する重力背景は、2016年にLIGOが検出したような単発の点火ではなく、時空の中で一定に乱雑に発生するざわめきとして現れると考えられます。
重力波は一般相対性理論によって予言されていました。数十年にわたる天体物理学的分析の結果、重力波はパルサーから地球に到達する光のタイミングに変化をもたらすことが結論付けられました。重力波背景は、パルサーの位置と相対的な位置に基づいて、私たちが観測するパルサーからの光に影響を与えます。そして、その光の変化に見られる特定の相関パターンは、重力波背景の存在を示唆するものです。研究チームは正式にこのパターンを発見したわけではありませんが、その始まりを捉えたと考えています。
天体物理学者たちは12年以上にわたりパルサー群からのデータを調べてきましたが、パターンを確信するにはまだ時間とパルサーの観測が必要です。チームが記録した波は、2016年にLIGOが検出した重力波よりもはるかに長い波長を持っているため、研究の進展は緩やかです。
一つの課題は、パルサーのパルスの計測に原子時計が用いられており、原子時計の精度が失われる可能性があることだ。しかし、国立電波天文台の天文学者であり、今回の論文の共著者でもあるスコット・ランサム氏によると、最近のデータでは原子時計の誤差は排除されているという。
ランサムは重力波を、遠近の様々な発生源からやって来る時空の海の波に例えます。重力波は互いに干渉し合い、その海に浮かぶ地球に打ち寄せ、地球をわずかに伸縮させます。
「そこから推測できることは、海が穏やかか荒れているかがわかるのと同じです」とランサム氏は電話インタビューで述べた。「この背景信号を見るだけで、宇宙の歴史全体や銀河がどのように合体し相互作用するかについて、多くの情報が得られるのです。」
サイモン氏とランサム氏は共に、12月に2本のケーブルが破損し倒壊したアレシボ天文台の電波アンテナの喪失を嘆き悲しんだ。研究チームは最初のケーブルが破損するまで観測所からデータを取得していたが、最近の論文には2017年までのデータしか含まれていない。彼らの現在のデータセットは、アレシボ天文台のいわばその後の姿を示すものであり、今後何年にもわたる重力波背景放射の探索に貢献するだろう。
