重力波のおかげで、宇宙には音がある
融合するブラックホールは、特定の周波数…および振幅の重力波を作り出す天体の 1 つのクラスです。
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
長い間、宇宙には音がないと言われてきましたが、それはある意味正しいことです。 従来の音は媒体を必要とし、粒子が圧縮され、ラリった時に発生します。 しかし、宇宙空間では粒子が少ないため、太陽フレアや超新星爆発、ブラックホール合体など、宇宙規模の大災害が起きても、音になる前に消えてしまいます。 しかし、もうひとつの圧縮と破裂のタイプは、宇宙空間そのものを通過する以外に何も必要としないものです。
2つのブラックホールが合体している様子。 重力波が余分なエネルギーを運び去りながら、ブラックホールは合体します。
SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) プロジェクト (http://www.black-holes.org)
重力波は、一般相対性理論によれば、重力の理論を整合させるために存在しなければならないものでした。 ニュートンの重力では、2 つの質量が互いに周回すると永遠にその配置を維持しますが、アインシュタインの理論では、十分に長い時間をかけて重力軌道が減衰すると予測されました。 地球が太陽の周りを回っているような場合、地球が太陽の中に螺旋状に入り込むのに10^150年かかるので、生きている間にそれを体験することはできない。 しかし、もっと極端な系、例えば2つの中性子星が互いに公転しているような系では、軌道が時間とともに減衰していくのを実際に見ることができるのである。
2つの中性子星が互いに公転するとき、アインシュタインの一般相対性理論は、軌道の崩壊と重力波の放射を予測します。
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
これらの波は気が遠くなるほど弱く、時空の物体への影響も呆れるほど小さいのですが、その反面、重力放射は非常に高い精度で観測されています。 しかし、ラジオの部品が長い周波数の光波を聞く方法を知っているように、それを聞く方法を知っていれば、これらの信号を検出し、他の音を聞くのと同じようにそれを聞くことができるのです。 振幅と周波数があれば、他の波と何ら変わりはないのだ。 一般相対性理論では、これらの波がどのような音であるべきかを明確に予測しており、最も大きな波を発生させる信号が最も検出しやすい信号であるとしている。 最も大きな振幅の音？ それは、互いに螺旋状に入り込む2つのブラックホールのインスパイラルとマージング「チャープ」です。
2015年9月、高度なLIGOが初めてデータを収集し始めてからわずか数日後に、大きな異常な信号が発見されました。 それは、わずか 200 ミリ秒の短いバーストで非常に大きなエネルギーを運び、観測可能な宇宙のすべての星を合わせたものを凌駕するものであったため、誰もが驚きました。 しかし、この信号は、36太陽質量と29太陽質量の2つのブラックホールが合体して、62太陽質量の1つのブラックホールとなったものであり、強固であることが判明しました。 太陽質量の3倍が足りない？ そのエネルギーは、宇宙空間を波打つ重力波に変換されたのです。
LIGOが初めてしっかりと検出した重力波の信号です。 波形は単なる…可視化ではなく、きちんと聞けば実際に聞こえるものを代表しています
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
それから1年以上が経ち、現在LIGOは2本目を行っている最中です。 他のブラックホールとブラックホールの合体が検出されただけでなく、新しい検出器によって新しいタイプの音に耳を開くことができるため、重力波天文学の未来は明るいと言えます。 LISAのような宇宙干渉計は、より長いベースラインを持ち、より低い周波数の音を聞くことができます。中性子星の合体、超巨大ブラックホールの饗宴、質量が極めて不均等な合体のような音です。 パルサー・タイミング・アレーは、超巨大ブラックホール・ペアのような何年もかかる軌道のような、さらに低い周波数を測定することができます。 OJ287のような何年もかかる軌道も測定できます。
宇宙のインフレーションによって生成された重力波は、人類が検出できる可能性のある最も遠い信号です。 BICEP2 や NANOgrav のようなコラボレーションは、今後数十年の間に間接的にこれを行うかもしれません。
国立科学財団 (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, related) – Funded BICEP2 Program; modifications by E. Siegel
聞くべきことがあまりにも多く、我々は初めて聞き始めたところなのです。 ありがたいことに、宇宙物理学者の Janna Levin (素晴らしい本 Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space の著者) が、今夜 5 月 3 日、東部時間午後 7 時/西部時間午後 4 時に Perimeter Institute で公開講演を行うことになっており、ここでライブ ストリーミングと私のライブブログでリアルタイムにお伝えします!
ライブブログは午後4時（太平洋側）の数分前に始まりますので、こちらでフォローしてください！
重力質量による一般相対論での時空のゆがみ
LIGO/T. Pyle
午後3時50分。 ショータイムまであと10分です。それを祝して、重力と重力波に関する10の楽しい事実（あるいは私たちが入れるだけの事実）をご紹介します。
1.） 一般相対性理論では、物質とエネルギーが時空をゆがめ、そのゆがんだ時空が重力として現れるとしています。） また、重力は無限の速度で移動するのではなく、光速でのみ移動します。
3)。 これは、巨大な物体の位置、配置、運動などに何らかの変化が起こった場合、それに伴う重力の変化は光速でしか伝わらないことを意味するので、重要です。
重力波を発生させる、2 つの結合するブラックホールのコンピューター シミュレーション
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3:54 PM: 4.) これは、例えば重力波が光速でしか伝わらないことを意味します。 私たちが重力波を「検出」するとき、その質量構成が変化したときの信号を検出しているのです。
5.) LIGOによって検出された最初の信号は、約13億光年の距離で発生しました。
時空の波紋が重力波の正体です。
European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
6.)。 もし重力が無限の速度で移動するならば、惑星の軌道は完全に不安定になる。 惑星が太陽の周りを楕円で動くという事実は、もし一般相対性理論が正しければ、重力の速度は約1%の精度で光速と等しくなければならないことを義務付けています。
3:57 PM: 7.) LIGO がこれまで見てきたものよりも、もっともっと多くの重力波の信号があり、私たちは最も検出しやすい信号だけを検出しました。）
LIGOのレーザー干渉計システムの簡略図
LIGOコラボレーション
9)。 LIGO の腕の長さはわずか 4 キロメートルで、鏡は光を何千回も反射するため (ただしそれ以上は反射しない)、LIGO は 1 Hz 以上の周波数のみを検出できることになります。
10…（英語）。 より遅い信号には、より長いレバーアームとより高い感度が必要であり、それは宇宙へ行くことを意味します。 それが重力波天文学の未来です！
午後4時01分。 私たちは成功しました!
午後4:01: 間に合いました！いよいよJanna Levinを紹介する時間です。 (「YON-NA」ではなく「JAN-NA」と発音してください。)
これまでに直接観測された最初のブラックホール対のインスパイラルとマージャー
B. P. Abbott et al: ここで重大発表/ショット：最初の重力波の最初の直接記録です。 アインシュタインが最初に一般相対性理論を発表してから100年かかって、彼女は録音を再生しているのです! ぜひ、聴きに行ってみてください 結局のところ、宇宙で音が「聞こえる」とはどういうことなのか、なぜこれが音なのか。 それが今回の講演の目的だそうです。
天の川の平面にあるマファイ1号とマファイ2号の銀河は、天の川の塵を通して・・・見ることによってのみ明らかにすることができるのだそうです。
WISEミッション; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: 宇宙に何があるのかを考えてみると、ガリレオの時代には、このようなことを知る由もありませんでした。 私たちは太陽の黒点や土星などについて考えていて、宇宙の大きなスケールや距離についてはまったく想像がつきませんでした。 他の銀河を想像する」ことは忘れてください、私たちはこれの何一つ想像していませんでした！
午後4時10分。 Jannaは、Sloan Digital Sky Surveyからの（私が知っている）お気に入りのビデオの1つを見せてくれています！
午後4時10分：Jannaは、Sloan Digital Sky Surveyのビデオを見ています。 彼らは40万個の最も近い銀河の調査を行い、それらを3次元でマッピングしました。 これは、私たちの（近くの）宇宙がどのようなものか、そしてご覧のように、それは本当にほとんど空の空間です！
（現代の）モーガン・キーナンのスペクトル分類システム、その上にケルビンで示された各星の温度範囲…クラス
Wikimedia Commons ユーザー LucasVB, additions by E. Siegel
午後 4:12 です。 彼女は、本当に素晴らしい点を指摘していますが、それは完全に無視されています。 私たちから 30 光年以内に 400 個以上の星がありますが、そのうち O 型または B 型の星はゼロで、ブラックホールになったものもゼロです。
加速されたロケットの中で床に落ちるボール (左) と地球上で…同じ振る舞いをすること。 (右)はアインシュタインの等価原理を示すものです。
Wikimedia Commons ユーザー Markus Poessel, retouched by Pbroks13
午後4時15分です。 アインシュタインの理論はどこから来たのか」を考えるとき、Janna は、同値原理の考えという素晴らしい点を指摘します。 重力があれば、たとえば椅子に座ったときに「重い」と感じると考えるかもしれません。 しかし、この反応は、重力ではなく、加速しているときに感じる反応とまったく同じなのです。 あなたが感じているのは重力ではなく、あなたの周りの物質の効果なのです！
午後4時17分。 OKGOというバンドは、ゲロゲロ彗星で飛ぶビデオを撮りました。 ヤンナは著作権の関係で、音声付きで全部を見せることはできませんが、強くお勧めします。 幸運にも、インターネットのおかげで…ここにあります! お暇なときにお楽しみください！
太陽の周りの軌道で地球の軌道を1周するのは、9億4千万キロの旅です。
Larry McNish＠RASCカルガリーセンター
午後4時19分です。 重力に関するもうひとつの大きな発見があります。私たちが物事の仕組みを理解する方法は、物がどのように落ちるかを見ることから得られます。 月は地球の周りを「落ちて」います。ニュートンはそれに気づきました。 しかし、地球は太陽の周りを落ち、太陽は銀河の周りを「落ち」、そして原子は地球上で「落ちる」のです。 しかし、すべて自由落下している限り、同じ規則が適用されます。 すごい！
ブラックホールは、宇宙が生まれながらにして持っていたものではなく、時間をかけて獲得してきたものなのです。 それらは…今や宇宙のエントロピーを支配しています
Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
午後4時21分です。 たとえそれがどのように発生したものであっても、ブラックホールを崩壊し、押しつぶされた物質として考えるのはやめましょう。 その代わりに、強い重力特性を持つ、単に空の空間の領域として考えてみてください。
私たちの銀河系の中心にある超巨大ブラックホール (Sgr A*) は、塵やガスのような環境に覆われています。 X線や赤外線の観測では部分的に見通すことができますが、電波ではついに直接解決できるかもしれません。
NASAのチャンドラX線天文台
午後4時23分です。 もしあなたが太陽と同じ質量のブラックホールに落ちたとしたら、事象の地平線を越えてから特異点で押しつぶされて死ぬまで、（Jannaによれば）およそ1マイクロ秒でしょう。 これは、かつて私が計算した、天の川の中心にあるブラックホールの場合、約10秒であることと矛盾しない。 天の川のブラックホールは太陽の400万倍の質量があるので、計算はうまくいきます！
ウェーバーバーとして知られる初期段階の重力波検出器を持つジョセフ・ウェーバー。
Special collections and university archives, University of Maryland libraries
4:26 PM: どのようにして重力波を検出するのでしょうか？ 正直なところ、海の表面にいるようなものです。宇宙の表面に沿って上下に揺れ、この波が本物かどうか、コミュニティーの中で大きな議論がありました。
ウェーバーは重力波と同定される信号をたくさん見ましたが、残念ながら、再現も検証もされなかったのです。
彼は、その賢さの割に、あまり注意深い実験者ではありませんでした。 Jon Groubertからtwitterで良い質問がありました。 「ブラックホールの中には何かあるんでしょう? 重い中性子星のような。 点状の特異点（回転していない特異点）か、一次元のリング（回転している特異点）があるはずですが、凝縮し、崩壊した、三次元の物質はありません。
なぜないのでしょうか？
構造として残るためには、力が粒子間を伝播し伝達する必要があるからです。 しかし、粒子は光速でしか力を伝えることができません。 しかし、何も、光でさえも、ブラックホールの出口に向かって「外向き」に動くことはできず、すべては特異点に向かって動きます。 そうして、何も自分を支えることができなくなり、すべてが特異点の中に崩壊してしまう。
左から右へ：2つのLIGO検出器（アメリカのハンフォードとリビングストン）、そしてVirgo検出器…。 (Cascina, Italie).
© LIGO Laboratory (first two images) and Virgo / Nicola Baldocchi 2015
午後4時32分です。 ウェーバーの失敗（と名声からの転落）の後、LIGOのアイデアは、1970年代にライ・ワイスによってもたらされました。 LIGOが実現するまでには40年以上かかりましたが（そしてその実現には1000人以上の人が関わりました）、最も素晴らしいことは、それが実験的に可能であったということです。 2本の非常に長いレバーアームを作ることで、通過する重力波の影響を見ることができました。
午後4時34分。 これは、重力波が何をするのかを説明した、私のお気に入りのビデオです。
午後4時: 重力波が何をするのかを説明した、私のお気に入りのビデオです。 レーザー干渉計を設置すれば（LIGOのように）、この振動を検出することができます。 しかし、もしあなたが十分に近くにいて、耳が十分に敏感であれば、鼓膜でこの動きを感じることができるでしょう！
午後4時35分。 Perimeter、とても良いヘッドフォンを持っているのですが、残念ながらJannaが流している異なる重力波モデルの信号を聞くことはできません！
米国ワシントン州にある重力波を検出するLIGOハンフォード観測所。
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
午後4:38。 LIGO検出器の中が、世界最先端の真空であることを考えると、おかしな話です。 しかし、鳥、ラット、マウスなどはその下にいて、光が通る真空チャンバーのほとんどに噛み込んでいるのです。 しかし、もし真空が破れていたら（1998年以来一定）、実験は終わっていただろう。 ルイジアナ州では、ハンターがLIGOのトンネルを撃っていました。 この装置がいかに繊細で高価であるか、しかし同時にいかに壊れやすいものであるか、恐ろしいことです。
午後4時41分。 Jannaは、サスペンスフルでありながら非常に人間的な方法でこの物語を伝える、本当に素晴らしい仕事をしています。 私たちは上の動画で、軌道を回る2つのブラックホールの最後の数回の軌道を、大幅にスローダウンして見ただけです。 それらは数百キロメートルしか離れておらず、その最後の4つの軌道は200ミリ秒かかり、それが LIGO が見た信号のすべてです
4:43 PM:
午後4時43分：もしあなたが講演の中の出来事を聞いたり聞き取ったりするのに問題があるなら、このビデオ（上記）を自然音と高音の両方で聞いてみてください。 2015年12月26日の小さいブラックホール(およそ8太陽質量と13太陽質量)は、同じ年の9月14日の大きいブラックホール(29太陽質量と36太陽質量)よりも静かで、かつ高音です
4:46 PM: ちょっとだけ訂正です。 Jannaは、これはビッグバン以降に検出された最も強力なイベントであると述べています。
どのようなブラックホール合体でも、合体ペアの最も質量の小さいブラックホールの質量の約 10% は、アインシュタインの E = mc2 によって純粋なエネルギーに変換されます。 29太陽質量は多いが、何億、何十億という太陽質量のブラックホールが合体しているはずだ。
これまでに見た中で最も巨大なブラックホール連星信号です。 OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
午後 4 時 49 分のことです。 これはOJ287で、1億5000万太陽質量のブラックホールが、約180億太陽質量のブラックホールを周回しています。 完全な軌道が発生するのに11年かかり、一般相対性理論では、水星の1世紀あたり43秒角に対し、ここでは1軌道あたり270度の歳差運動が予測されます
4:51 PM: 1時間の講演が50分で終了するのを見たのは、ペリメーターの公開講座でも初めてです。
2000年代初めの宇宙からの NASA 衛星画像の合成から見た地球。
NASA / Blue Marble Project
午後4時52分。 もし地球がブラックホールに吸い込まれたら、どうなるのでしょうか？ (Q&A question from Max.) Janna が素晴らしい回答をしていますが、重力波の観点から、地球はバラバラになり、「染み出し」の波信号、つまり、よりノイズの多い、静的な信号が得られると指摘しておきたいと思います。 地球が飲み込まれると、事象の地平線がほんの少し大きくなります。太陽質量の300万分の1が追加されると、ブラックホールの半径がほんの少し、対応する量だけ大きくなるからです。 なんと楽しい講演でしょう。また、すばらしく活発な質疑応答もあり、全体としてすばらしい経験でした。 トークの動画がパーマリンクとして埋め込まれていますので、何度でもお楽しみください。
そして、ご視聴ありがとうございました。