まったく新しい物理学の鍵が発見される：研究者たちが宇宙の「ハミング」を解読する

長い間、重力波背景は、宇宙全体に浸透する重力波の「ハム音」を示す、単なる理論上の概念であると考えられていました。このような波は、ブラックホールの合体、中性子星、超新星、さらにはビッグバン直後のインフレーションなど、宇宙初期に起こった可能性のある出来事など、さまざまな発生源から生じます。宇宙マイクロ波背景ノイズがビッグバンのエネルギーの残響を表すのとほぼ同じように、重力波背景ノイズは大規模な宇宙事象のエコーとみなすことができます。現在、この概念は初めて理論から応用へと移されつつあります。

重力波背景を発見

画期的な発見として、国際研究コンソーシアムは、宇宙全体に反響するこの宇宙のハム音を特定しました。ニューメキシコ州の超大型銀河団から発せられるこのハム音は、最大100億光年離れた古代の銀河にある超大質量ブラックホールからの集合的なエコーであると考えられている。

北米ナノヘルツ重力波観測所 (NANOGrav) との共同研究に携わる物理学者ザビエルシーメンスは、ニューヨークタイムズでこの現象をオーケストラの交響曲に例えました。融合する超大質量ブラックホールのそれぞれのペアは、広大な宇宙のメロディーで最高潮に達するユニークな音を生成します。 NANOGrav がデータ収集を開始してから 15 年後にこの発見は大いに期待されていました。これはアルバート・アインシュタインの一般相対性理論を支持し、約137億年前のビッグバンで生じたとされるエキゾチック物質の存在を示唆している。

NANOGravのメンバーでイェール大学の天体物理学者キアラ・ミンガレリ氏は、この画期的な発見は宇宙観察への新たなアプローチの始まりを示すものだと述べた。レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) によって検出された以前の信号は、主に数百ヘルツの周波数範囲にありました。しかし、この研究を推進した研究者らは、宇宙の隅々から同時に発せられる、はるかに低い周波数（10億分の1ヘルツ）の集合的なハム音を探していました。

絶対的な安全性が欠けている

これらの例外的に低い周波数では、ハム音が非常に強いため、おそらく100万個の超大質量ブラックホールの歴史的な宇宙合体が原因である可能性があります。これは、重力波の影響を間接的に測定するために使用され、1993 年にノーベル賞を受賞した方法を使用して、高速回転する恒星であるパルサーの挙動を研究することによって発見されました。パルサーは、周期的に電波を放射するため宇宙時計としても知られ、信号の発見にとって極めて重要でした。

超大型アレイ、ウェストバージニア州のグリーンバンク望遠鏡、プエルトリコの今はなきアレシボ天文台は、NANOGrav チームの観測データの収集に役立ちました。これらの貢献により、国際パルサータイミングアレイ内での世界的な協力が可能となり、重力波の背景の解明につながりました。現在、結果の信頼度は 3.5 ～ 4 シグマですが、これは物理学者が発見に通常使用する望ましい 5 シグマ標準をわずかに下回っています。「いつかはそれができるようになるだろう」とミンガレリ氏は確信している。彼女にとってはそれで十分だ。

電子レンジから重力波の背景まで

重力波背景の分析は、超大質量ブラックホールとその周囲の銀河の進化の歴史に光を当てる可能性がある。これにより、宇宙の膨張や暗黒物質の性質をより深く理解できるようになり、これまで知られていなかった粒子や力の発見につながる可能性があります。 NANOGrav チームとその国際パートナーは、重力波背景の起源を解読することを期待して、20 年以上にわたる 115 個のパルサーからの測定値を分析しています。

ミシガン大学の天体物理学者マルセル・ソアレス・サントスは、これらの重力波の潜在的な重要性を、1960年代の宇宙マイクロ波背景放射の画期的な発見と比較しています。それはまた、初期宇宙に対する私たちの理解を再形成しました。これはまさに、重力波の理解における新たな章の始まりとなる可能性があります。この宇宙のうなり音の理解に近づくにつれ、重力波の歴史に新たな章が刻まれていくのを目撃するかもしれません。

比較のために、マイクロ波背景を使用すると、ビッグバンから約 38 万年後の時代を振り返ることができます。一方、重力波の背景を使用すると、ビッグバンのわずか数秒後に何が起こったのかを見ることができます。これは、これがこれまで知られていなかったタイプの物理学の鍵であるだけでなく、「なぜ何もなくて何かがあるのか」という非常に重要な疑問をきっぱりと解明できる可能性があることを意味します。

将来の研究にとって非常に重要

具体的には、宇宙におけるこの「ハミング」の発見は、さらに 5 つの天文学的進歩の基礎を形成します。

インフレーション理論の確認: 宇宙はビッグバン後の最初の数秒で非常に急速な膨張段階を経たというインフレーション理論は、重力波背景の発見によってさらに確認されました。これらの波はこのインフレーションプロセスの予期された産物であり、その発見はこの理論の強力な証拠です。
初期宇宙の探索: 重力波により、科学は宇宙背景放射の「背後」を調べ、まだ到達できていない宇宙の非常に初期の段階に関する情報を得ることができます。
一般相対性理論のテスト: 重力波は一般相対性理論の直接の予測です。重力波の存在に関する証拠はすでに得られていますが、重力波背景の発見は、この理論を検証し改善するためのさらなるデータポイントを提供します。
重力の性質についての洞察: 重力波をより詳細に測定して分析することができれば、特に宇宙論的スケールで、重力そのものの性質についてさらに学ぶことができるでしょう。
量子重力: この発見は、重力を他の 3 つの基本的な力と統合することを目的とした量子重力理論にも影響を与える可能性があります。

また、博士。ソアレスサントス氏は、この発見が「真に画期的なものにつながる」可能性があると信じている。