真空でノーベル賞を - 重力波の存在証明に巨大な真空管が活躍

真空でノーベル賞を - 重力波の存在証明に巨大な真空管が活躍

1世紀ほど前、アルベルト・アインシュタインはすでに重力波の存在を予言していました。しかし、その存在がはっきりと証明されたのは2015年のことです。この検出器には、なんと長さがキロメートル級の2本の真空管が使われました。
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水に石を投げ入れると水面にさざ波が立つのと同じように、重力波は空間を伸縮させます。この時空のさざ波は、星の爆発やブラックホール衝突のような、宇宙で起こる大災害によって引き起こされます。ひとたび発生した重力波は、光の速度で広がります。少なくともこのような内容を、アルベルト・アインシュタインは、1915年、一般相対性理論を発表したときに予言していました。 

しかし、この不思議な波は測定するのが非常に困難であるため、その存在は2015年までは理論上のものに過ぎませんでした。重力波が宇宙空間を変化させるのは、ほんの一瞬で、大きさにしてわずか原子ひとつ分だけです。2つの強力なブラックホールの衝突が重力波の直接的な証拠を示したときには、予言から100年経っていました。 

キロメートルサイズの測定器

重力波は、20億年かけて時空を伝わり、2015年9月14日、地球上に極めてわずかな時空の歪みが起こりました。この歪みの測定に成功したのは、米国で3000キロメートル離れた2か所に設置されたLIGO検出器(LIGO:レーザー干渉計重力波観測所)です。

それぞれのLIGOは2本の管状のアームを持ち、アームは互いに90℃の角度を成しています。アームの長さは一方は2キロメートル、もう一方は4キロメートルです。2本のアームが接するところでレーザービームが放出され、ビームスプリッターによって半分に分割されます。分割されたビームはそれぞれのアームにそって進み、 アームの両端にある鏡(テストマス)の間を何度も往復します。ビームの速度が落ちないようパワーリサイクリングミラーでパワーを増幅させながら、合計で1,120キロメートルの距離を往復し、ビームスプリッターに戻るまで進ませます。重力波が空間を通過した場合、干渉計の1つのアームが延び、もう一方が縮みます。これを、レーザービームがアームを行き来するのにかかる時間の変化として検出することができます。 

真空と測定の精度

測定は極めて厳密に行わなければならないため、アーム内は大気圧の1兆分の1の超高真空になっています。真空をつくるために、まず30日間かけてアームを加熱し、その後、高性能の真空ポンプで内部の空気を取り除きます。最後に、イオンポンプを使用し、残留ガス分子も取り除きます。結果として得られた超高真空内には、レーザービームの歪みやミラーの振動の原因となる空気分子が存在せず、光の拡散の原因となるホコリも存在しません。

2016年2月、詳細な計算の後、参加科学者らは、実際に重力波の測定に成功し、アインシュタインの理論を確認したと発表するに至りました。このプロジェクトの研究に対し、先駆的研究者であるレイナー・ワイス氏、 バリー・バリッシュ氏、キップ・ソーン氏に2017年のノーベル物理学賞が贈られました。


2015年の最初の測定を皮切りに、重力波研究機関は時空の歪みをさらに検出しています。最新のものは、2017年8月14日の記録です。これに成功したのは、最近LIGOとの協力を開始した、イタリアのリボルノ近郊に設置された類似型の検出器です。発生源は、約18億光年離れた場所で起こった恒星の衝突でした。研究者は、これまで手の届かなかった宇宙の歴史や物理に関する新たな情報を入手できると期待しています。さらにこの検出器で、暗黒物質の兆候を観測できる可能性もあります。今のところ重力波との関連性は何も発見できてませんが。

2015年までの重力波と同様、今のところ暗黒物質の存在は仮説にすぎずません。天体物理学者らは、測定結果と計算から、暗黒物質が存在しなければ、銀河はそれ自体の回転による遠心力で引き裂かれるだろうと結論付けています。暗黒物質の総質量は、宇宙で実際観測されている物質の総量の5倍程度と考えられています。

LIGOおよびVirgo検出器を利用することで、天文学者は、ブラックホールの場所を突き止めるだけでなく、銀河の誕生に関する情報をそこから「聞き出す」ことができるかもしれません。暗黒物質に関する1つの仮説では、それはビッグバンによって生じた「原始」ブラックホールで構成されると言われています。この仮説は、物理学者の間では少数派の意見だとしても、重力波検出器によってこの仮説を支持するデータが得られる可能性があります。あるいは、この仮説に反するデータが得られ、科学が別の説明モデルに重点を置けるようになる可能性もあります。 このように宇宙の謎を解明する取り組みにも真空は役立っています。


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