重力波: 宇宙構造の振動

波とは何ですか?

波は、物質媒体または真空中での擾乱の伝播の物理現象です。 物質を正味輸送せずにエネルギーを輸送します。波には、その性質と伝播媒体に応じていくつかの種類があります。

水面の波や地震波などの機械波には、材料の支持体 (液体、固体、気体) が必要です。それらは、振幅、波長 \(\lambda\)、周波数 \(f\)、伝播速度 \(v\) によって特徴付けられ、基本的な関係 \(v = \lambda f\) によって関連付けられます。

可視光線や電波などの電磁波、

最後に、重力波は別のカテゴリーに属します。重力波は物質媒体の振動ではなく、時空そのものの計量の乱れです。したがって、それらは自由物体間で測定された距離を直接変更するため、古典的な波とは区別されます。

注： :
あ物理現象物体の落下、波の伝播、光の放射など、物理法則によって説明できる観察可能かつ測定可能なイベントです。の場合重力波、それは時空そのものの乱れであり、物質媒体の振動ではありません。

重力波とは何ですか?

重力波は時空の波紋 (コズミック ファブリック) であり、1916 年に次のように予言されました。アルバート・アインシュタイン(1879-1955) 一般相対性理論 (1915) の枠組みの中で。 それらは光の速度 \((c)\) で伝播し、2 つのブラック ホールや中性子星の合体など、非常にエネルギーの高い宇宙の出来事によって生じます。

重力波は、宇宙を探査する新しい方法を提供します。電磁波（ラジオ、可視光線、X線）とは異なり、物質に吸収されません。これにより、超新星の内部やビッグバン後の最初の数秒など、これまでアクセスできなかった領域を研究することが可能になります。

主要な実験的検出

2015 年 9 月 14 日、LIGO 干渉計は、13 億光年離れた 2 つのブラックホールの合体から生じる重力波を初めて直接観測しました。測定された信号は長さの相対変化 \(\Delta L / L \about 10^{-21}\) に対応しており、これは 4 km のアーム上の陽子の直径よりも小さい変形を検出したことに相当します。

陽子の直径よりも小さな変形をどのように測定するのでしょうか?

LIGO や Virgo などの重力波検出器の感度はレーザー干渉法に依存しています。 原理は、自然な機械的フィルターとして機能する超高真空下で、レーザー光線を 2 つに分割し、振り子のように吊り下げられたミラーで反射した後に再結合することにより、それぞれ 4 km の 2 本の垂直アームの長さを極めて正確に比較することです。

重力波が機器を通過すると、長さの相対的な変化 \(\Delta L / L \about 10^{-21}\) または絶対的な変化 \(\Delta L \about 4 \times 10^{-18}\ \text{m}\) が生じます。この値は陽子の直径 (\(\sim 10^{-15}\ \text{m}\)) の約 100 分の 1 です。

このような精度を実現するには、次のようないくつかの手法が使用されます。

• ファブリペロー空洞:アームにはビームを数百回反射するミラーが組み込まれており、実効感度が向上します。
• アクティブサスペンション:ミラーは振り子システムとアクティブダンパーのおかげで地震の振動から隔離されています。
• 超真空:ビームは \(\sim 10^{-9}\ \text{atm}\) に保持されたチューブ内を伝播し、空気の乱れを排除します。
• 増幅された光パワー:干渉を測定する光子の数を増やすために、数十ワットのレーザーが再利用されます。
• 量子技術:圧縮された光（「スクイーズド光」）を使用すると、高周波測定を制限する真空の量子ノイズが減少します。

これらの組み合わせた方法のおかげで、干渉計は前例のない精度を達成し、数キロメートルの巨視的距離にわたって陽子の直径よりも小さな変化を検出することができます。

出典:LIGO 科学的コラボレーション – GW150914、乙女座コラボ、LIGO 科学的コラボレーション – GW190521。

重力波検出をめぐる論争

今日、科学界は重力波の検出が確立された事実であると考えていますが、いくつかの批判的な研究は、特に最初の発表中に疑問を引き起こしました。この研究は必ずしも一般相対性理論に疑問を投げかけるものではありませんが、データ分析の堅牢性に疑問を投げかけています。

たとえば、2016 年に独立チーム (J. Creswell ら、コペンハーゲン大学) は、LIGO 検出器ノイズの予期せぬ相関関係を強調する分析を発表しました。彼らの発見によると、ブラックホールの合体に起因すると考えられるGW150914の信号は、真の重力波ではなく、機器によるアーチファクトと一致する兆候を示した可能性がある。

これらの批判は主に次の点に関連しています。

• 信号 \(\Delta L / L \sim 10^{-21}\) を楽器ノイズから区別することは極めて困難です。
• 二項併合の高度な数値モデルへの依存、
• 処理および校正システムによって引き起こされる相関の可能性。

これらの反対に直面して、LIGOと乙女座の共同研究は相互検証方法を強化し、詳細な分析を発表し、他のいくつかの独立した事象（望遠鏡で観測された電磁信号を伴うGW170817など）を確認することで対応した。このマルチメッセンジャーの一致により、検出の強力な検証が行われます。

したがって、たとえ特定の批判的な声が依然として存在するとしても、一貫した多様な観察の蓄積により、記録された信号の単なる手段的な説明は非常にありそうもないものになります。