時空の波紋を測定する方法

約18億年前、はるか遠くの銀河系で、二つの巨大なブラックホールが互いに螺旋状に衝突し、その破滅的な合体は宇宙の構造そのものに波紋を広げました。2017年8月14日、この時空の波紋、いわゆる「重力波」が地球に押し寄せ、イタリアの田園地帯にある新しく改良された観測施設で検出されました。

Virgo干渉計は、トスカーナの起伏に富んだ丘陵地帯に設置された重力波観測装置です。3日後、Virgoは新たな波紋を捉えました。今回は2つの中性子星の合体によるものでした。米国にある同様の干渉計であるLIGOの協力を得て、科学者たちは合体が空のどこで起こったかを正確に特定し、通常の観測装置を正しい方向に向けることで、電磁スペクトル全体にわたってこの現象を観測することができました。

これは「マルチメッセンジャー」天文学の新時代の幕開けでした。宇宙から届く光だけでなく、重力波などの他の「メッセンジャー」を通しても、強力な宇宙現象を観測することが可能になったのです。「私たちは何年も同僚たちに、宇宙への新しい窓を開くとプレゼンテーションを続けてきましたが、誰も本気で信じてくれませんでした」と、1992年からVirgo計画に携わってきた物理学者のジョバンニ・ロスルドは言います。「何度も落胆しました。難しすぎるように思えたからです。ですから、この計画が実現した時は、まさに素晴らしいご褒美でした。」

重力波は、池に石を投げ入れた際に生じる波紋のように、広がるにつれて弱まる波として始まります。地球に到達する頃には、その信号は極めて小さくなるため、検出は途方もない課題となります。この課題を解決するために、Virgo、LIGO（レーザー干渉計重力波観測装置）、そして日本のKAGRA（神岡重力波検出器）は、いずれも同じ独創的な技術を採用しています。

レーザービームがビームスプリッターに照射され、2本の同一ビームがL字型に直角に配置された2つのトンネルを通過します。各トンネルの端にはミラーが配置されており、このミラーがビームをスプリッターに直接送り返します。ここで光は結合され、光検出器で測定されます。

重力波が地球を通過すると、空間自体が一方方向に伸び、反対方向に圧縮されるため、検出器の2つの「アーム」は実際にはわずかに伸び縮みします。つまり、それぞれの光線がわずかに異なる距離を移動し、それが再結合されたレーザー光のパターンに「宇宙チャープ」と呼ばれる周波数のスパイクとして現れます。これが重力波信号です。

Virgoは、その測定に最先端の機器を採用しています。各トンネルの端にある鏡は、入射光子の300万分の1しか吸収しないほど純度の高い合成石英で作られています。原子レベルまで研磨されているため、非常に滑らかで、光の散乱は事実上ありません。さらに、非常に反射率の高い薄い層でコーティングされているため、レーザー光が接触しても0.0001%未満しか失われません。

各鏡は地震の振動から保護するため、超減衰器の下に吊り下げられています。超減衰器は、振り子のように動作する一連の地震フィルターで構成され、高さ10メートルの塔内の真空チャンバーに収められています。この装置は、Virgoが検出しようとしている重力波よりも9桁も強い地球の揺れを打ち消すように設計されています。超減衰器は非常に効果的であるため、少なくとも水平方向では、鏡はまるで宇宙空間に浮かんでいるかのように振舞います。

より最近の革新は、Virgoの「スクイージング」システムです。これは、ハイゼンベルクの不確定性原理の影響に対抗するものです。これは、量子粒子の特定の特性のペアは、同時に正確に測定することはできないという、素粒子の世界における奇妙な特性です。例えば、光子の位置と運動量の両方を絶対的な精度で測定することはできません。位置を正確に知れば知るほど、運動量についてはより正確に知ることはできず、その逆もまた同様です。

Virgo内部では、不確定性原理が量子ノイズとして現れ、重力波信号を不明瞭にします。しかし、メインの真空管と平行に走るパイプに特殊な光状態を注入し、ビームスプリッターでメインのレーザー場と重ね合わせることで、研究者はレーザー光の特性における不確定性を「圧縮」、つまり低減することができます。これにより量子ノイズが低減し、Virgoの重力波信号に対する感度が向上します。

2015年以降、Virgoと米国のLIGOによる3回の観測で、約100件の重力波イベントが記録されています。両施設のアップグレードとKAGRAの参加により、2023年3月に開始される次回の観測では、さらに多くの成果が期待されています。研究者たちはブラックホールと中性子星への理解を深めたいと考えており、予想されるイベントの膨大な量は、重力波を通して宇宙の進化の姿を描き出すという魅力的な展望をもたらしています。「これは宇宙を理解するための新しい方法の始まりに過ぎません」とロスルド氏は言います。「今後数年間で多くのことが起こるでしょう。」

この記事はもともとWIRED UK誌の2023年1月/2月号に掲載されたものです。