2017年度ノーベル物理学賞が重力波初検出に
横山 順一(ビッグバン宇宙国際研究センター 教授)

2015年9月14日9時50分45秒頃(協定世界時)に,アメリカのレーザー干渉系型重力波検出器(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, LIGO)が,太陽質量の約36倍と約29倍の2つのブラックホールが合体したことによる重力波を,人類史上初めて直接検出した。この重力波初検出を牽引した3人の研究者に2017年ノーベル物理学賞が授与されることになった。受賞者は,マサチューセッツ工科大学のレイナー・ワイス名誉教授,カリフォルニア工科大学のバリー・バリッシュ名誉教授と同じくキップ・ソーン名誉教授の3名であり,ワイス博士に二分の一,残りの半分がバリッシュ博士とソーン博士に共同で授与されることになった。受賞理由は,「LIGO検出器と重力波観測に対する決定的な貢献」である。

一般相対性理論に重力波という光速で伝 わる波動が存在することは, 1916年にアインシュタイン自身によって示されているが, その初の直接検出は,アメリカ・ワシントン州ハンフォードと,ルイジアナ州リビングストンにある,2台のadvanced LIGO(改良型LIGO)重力波検出器によってなされ た。重力波はまず,リビングストンの検出器に到達,その約7ミリ秒後,3,000kmほど 離れたハンフォードの検出器に到達した。 その後の解析によって,この信号は13億光年ほどの距離にある太陽の約36倍の質量 をもつブラックホールと,太陽の約29倍の質量をもつブラックホールが合体したことによるものであることがわかった。合体時には太陽の約3倍の質量に相当するエネルギーが重力波によって放射され,ピーク時には約4x1049ワットものエネルギーが重力波として放射されたことも判明した。0.2秒ほどの短い信号であるが,一般相対性理論から期待される波形とよく合致していた。7ミリ秒隔てて同じ形の信号が二つの検出器でキャッチされたことが,本物の重力波である何よりの証拠である。

本研究科附属ビッグバン宇宙国際研究センターのキップ・カンノン(Kipp Cannon) 准教授はカナダLIGO研究チーム代表者 (当時)としてこの初検出に大きな寄与をおこない,彼が開発を主導した低遅延重力波探索ソフトウェアGstLALを用いること で,この信号と同様の信号がノイズによって発生する頻度は20万年に1回以下であることを明らかにした。同准教授は2015年に東京大学着任後,わが国の重力波検出器KAGRAとLIGOの国際協力を推進してい る。また,国立天文台教授で東京大学大学院理学系研究科とフランスCNRS Virgoチームを兼担するラファエル・フラミニオ(Raffaele Flaminio)教授はLIGO検出器の鏡の制作に大きな貢献をし,現在KAGRA, LIGO,Virgoの三者の協力を進めている。



リビングストン(左)とハンフォード(右)にある改良型LIGO検出器で観測された重力波信号GW150914の重力波波形(青)と,一般相対性理論で期待される重力波波形(赤)。2つのブラックホールが合体してひとつになる最後の0.2秒ほどの重力波信号を検出できたことを示している。(https://losc.ligo.orgより改変して転載)

この初検出以降, LIGOとVirgoは観測を 重ねているが,アインシュタインが予言し たとおり重力波が二つの偏光モードをもっていることを検証するためには,わが国のKAGRAの稼働が必須であり,その完成が待たれているところである。

なお,本稿作成に当たっては,カンノン研究室初代助教であり,2017年10月に大阪市立大学に栄転した伊藤洋介准教授の協力を得た。

 

理学部ニュース2017年11月号掲載

 


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