超低周波重力波の秘密に迫る

超低周波重力波の秘密に迫る 天文・宇宙
画像:初期宇宙の宇宙相転移の際に極低周波重力波を発生させる可能性のある衝突気泡のイメージ図。Riccardo Buscicchio.

バーミンガム大学の研究者たちは、超低周波重力波を検出する新しい方法を、感度の低い他の測定方法と組み合わせることで、宇宙の初期発展に関する新たな洞察を得ることができると発表しました。

光速で宇宙を横切る重力波(アインシュタインの時空の波紋)には、さまざまな波長(周波数)があります。

しかし、現在研究が進められている新しい方法を使えば、近い将来、初めての低周波信号を確認できると期待されています。

主な方法は、電波望遠鏡を使って、パルサー(異質な死星で、異常な規則性をもって電波パルスを発信する)から重力波を検出するものです。

例えば、NANOGravの研究者たちは、パルサーを使って、私たちの銀河系に散らばるミリ秒パルサーのネットワーク(配列)の自転周期を絶妙な精度で計っています(天文学者にとっては、完璧な時計のネットワークの近似値)。

これらのパルサーは、重力波が宇宙に広がる際に生じるわずかな変化を測定するのに使われます。

しかし、何がこの信号を生み出しているのかは、まだ解明されていません。

バーミンガム大学重力波天文学研究所の研究者たちは、パルサータイミングアレイ(PTA)1パルサー、特にミリ秒パルサーのパルス放射は非常に安定な周期を持つことから、この周期を精密に測定することでパルサーと地球との間を伝播する重力波による周期変化を検出することが可能である。単体のパルサーだけでは天体固有の周期変化との区別が困難であるが、複数のパルサーの信号を解析することで、個々の天体固有の変化との区別が可能である。このような重力波の検出方法はパルサータイミングアレイと呼ばれる。この方法により、波長が地球スケールより非常に長くて地上や人工衛星で検出が困難な重力波、たとえば銀河中心核ブラックホールの合体に伴う重力波、初期宇宙の相転移などに起因する重力波が検出可能である。のデータだけで答えを出すのは非常に難しいと主張しています。

Nature Astronomy誌に掲載されたレターでは、この新しいデータを、欧州宇宙機関のガイア計画などの他のプロジェクトによる観測結果と組み合わせることで、宇宙の初期に残っているさまざまな信号を分離して解釈することができると提案しています。

超低周波重力波の主な理論は、合体する銀河の中心にある超巨大ブラックホールの集団によって引き起こされるというものです。

銀河が合体すると、その中心にあるブラックホールがペアになって双子を形成し、重力波が発生します。

この場合、パルサータイミングアレイによって重力波が検出されれば、銀河の形成と成長に関する天体物理学の新たな研究手段となります。

しかし、それ以外の可能性もあります。

ナノヘルツの重力波は、銀河やブラックホールが形成される前の、まだ幼い宇宙の様子を伝えてくれるかもしれません。

実際、超低周波重力波の信号は、ビッグバンの直後に他のプロセスによって発生する可能性が示唆されています。

例えば、物理学者が言うところの相転移が適切な温度で宇宙に起こった場合などです。

主著者のChristopher Moore博士は次のように述べています。

「パルサータイミングアレイを用いた重力波信号の最初の暫定的なヒントが、最近NANOGravによって見られたかもしれません。これらの信号の説明の多様性はエキサイティングですが、同時に迷路のようでもあります。私たちは、考えられるさまざまな信号源を互いに見分ける方法が必要です。現在のところ、パルサータイミングアレイのデータだけでは、それは非常に困難です。」

共同研究者のAlberto Vecchio教授は次のように述べています。

「パルサータイミングアレイは、古代の宇宙論的プロセスについて、これまでにない洞察を与えてくれるかもしれません。これらの洞察を解釈するための高度な手法を開発すれば、私たちの宇宙がどのように形成され、形作られたのかを真に理解することができるようになるでしょう。」と述べています。

Published by University of Birmingham. Christopher Moore, Ultra-low-frequency gravitational waves from cosmological and astrophysical processes, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-021-01489-8.