確認！LIGOの重力波信号は本物だった

2016年2月に重力波の発見を称賛する歴史的な発表があった後、懐疑論者が現れるのにそれほど時間はかかりませんでした。

レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）による時空の微細なうねりの検出は、宇宙への新たな洞察をもたらしたと言われました。しかし翌年、コペンハーゲンのニールス・ボーア研究所の物理学者グループが、LIGOの解析に疑問を投げかける論文を発表しました。彼らは、実験で初めて観測された有名な信号、つまり10億光年以上離れた巨大ブラックホールの衝突を示す曲がりくねった線に批判の矛先を向けました。この信号は世界中の新聞に掲載され、人々の体にタトゥーとして刻まれました。

LIGO がさらに多くの重力波信号を感知し、創設者たちがノーベル賞を受賞した一方で、アンドリュー・ジャクソン名誉教授率いるコペンハーゲンの研究者たちは、LIGO の双子の検出器が拾った「ノイズ」に説明のつかない相関関係を発見したと主張した。これらの検出器は、重力波が通過すると交互にアームが伸び縮みする L 字型の装置で、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに遠く離れて設置されている。これは、宇宙からの重力のさざ波だけが両方の装置を適切に揺さぶり、決定的な信号を生成するようにするためである。しかしジャクソンと彼のチームによると、ノイズ データの相関関係は、LIGO が重力波ではなく、地球上の擾乱、おそらくは地震を感知した可能性があることを示唆しているという。彼らは、少なくとも装置か LIGO の科学者たちの分析に何かおかしいところがあったと主張した。

結果は懸念すべきものでした。LIGOの科学者たちは研究成果を再検証し、専門家グループは昨年ニールス・ボーア研究所を訪れ、ジャクソン氏らのアルゴリズムの詳細を詳しく調査しました。2つの研究グループが、LIGOのデータとコペンハーゲン・グループのコードをそれぞれ独立して分析することにしました。

両グループとも研究を完了しました。新たな論文では、ジャクソン氏と共著者が主張に至った問題の異なる側面が説明されています。どちらの分析も、ジャクソン氏の主張は誤りであると明確に結論付けています。LIGOのノイズには説明のつかない相関関係は存在しないのです。

「重力波の発見について、疑念を抱き続けることに何の正当性も見出せない」と、論文の著者であるペリメーター理論物理学研究所の物理学者マーティン・グリーン氏とジョン・モファット氏は電子メールで述べた。

二人はLIGOと直接的な関係はない。「科学にとって、データや結果をグループから独立して分析する人々がいることが重要です」とモファット氏は述べた。「特に物理学の歴史におけるこのような歴史的な出来事においてはなおさらです」

プリンストン大学の重力波専門家、フランズ・プレトリウス氏は、最近の研究には関与していないが、1年以上前から、彼自身も物理学界の大部分も、LIGOの分析とその発見が妥当であると確信していると述べた。それでもなお、「メディアのやり取りではなく、最終的に論文という形で徹底的な分析が発表されることが重要だ」とプレトリウス氏は述べた。

1,200人規模のLIGO科学コラボレーションの広報担当者、マサチューセッツ工科大学のデイビッド・シューメーカー氏は電子メールで、今回の新たな発見はチーム内の議論を裏付けるものだと述べた。「コラボレーション外の2つの再解析結果を見て、（重力波の）検出が本物であるという私の確信が再確認されました」とシューメーカー氏は述べ、「また、ジャクソンらの論文のどこに問題があるかという私たちの以前の認識を裏付けるものでもあります」と続けた。

ジャクソン氏は電子メールで、9月にPhysics Letters B誌に掲載されたグリーン氏とモファット氏の論文を「全くの戯言」と評した。詳細を問われると、ジャクソン氏は彼らの主張を誤って解釈し、彼らが提起した自身のチームの研究に関する最も重要な問題点に触れなかった。また、ジャクソン氏は、ドイツ・ハノーバーにあるマックス・プランク重力物理学研究所のアレックス・ニールセン氏と共著者3名による2つ目の研究結果も否定した。彼らの論文は11月に物理学のプレプリントサイトarxiv.orgに掲載され、現在Journal of Cosmology and Astroparticle Physics誌で査読中である。「この最新の論文への反論を執筆中なので、（今回も）彼らがどこで間違いを犯したのかは説明しません」とジャクソン氏は記した。

「コペンハーゲングループは、自分たちが間違っているかもしれないということを認めようとしません」とモファット氏は述べた。「実際、彼らは間違っているのです。」

専門家らは、この問題はコペンハーゲンの物理学者らによるいくつかの失敗とLIGOによる1つの失敗の組み合わせによるものだと述べている。

LIGOのアルゴリズムは、通過する重力波の微かな揺れをノイズの多い背景から分離するために、2つの検出器のアームの長さを「テンプレート波形」と常に比較します。この波形は、通過する重力波や背景ノイズによって揺らめかれると振動します。テンプレート波形とは、アインシュタインの一般相対性理論から計算された重力波信号の候補です。ハンフォードで検出された信号と、その直前または直後にリビングストンで検出された信号がテンプレート波形とよく一致する場合、世界中にメールアラートが飛び交います。

科学者たちはその後、2つの検出器の信号に最もよく一致する「最適な」重力波形を慎重に決定します。この波形をそれぞれの信号から差し引くと、「ノイズ残差」が残ります。これは、検出器に残る小さな振動で、2つの装置は約3200キロメートル離れているため、相関がないはずのものです。

コペンハーゲンの研究グループは2017年の論文で、リビングストンのノイズがハンフォードのノイズと7ミリ秒後に一致したことを突き止めたと主張した。これは、重力波と推定される信号が両方の検出器に到達したまさにその瞬間だった。彼らはこれを、LIGOが信号とノイズをきれいに分離できなかったか、あるいはまさに適切なタイミングでノイズに生じた相関が信号全体の原因であることを意味すると解釈した。

しかし、グリーン氏とモファット氏は、コペンハーゲンチームのデータ処理における一連のエラーを特定し、それが実際には存在しない相関関係を生み出す原因になったと述べている。

残差の相関関係を調べるため、ジャクソン氏らはリビングストン データの 20 ミリ秒のセグメントを取り上げ、ハンフォード データの 20 ミリ秒のセグメントをその上でスライドさせて、ピークがピークと、谷が谷と重なるたびに相関関係を記録した。その結果、データが 7 ミリ秒オフセットされたときに強い相関関係が発生することがわかった。しかし、グリーン氏とモファット氏は、ジャクソン氏らのコードを使用して手順を逆にし、ハンフォードのノイズ データを固定してリビングストン データのセグメントをその上でスライドさせると、7 ミリ秒オフセットでの相関関係がなくなることに気付いた。「これは大きな危険信号でした。なぜなら、計算方法が堅牢ではないということを示しているからです」とデジタル信号処理の専門家であるグリーン氏は述べた。むしろ、データ セグメントの長さとその非対称処理は「ほぼあらゆる望ましい時間オフセットで相関信号を取得するように調整されていました」と同氏は述べた。

別の計算では、ジャクソンと彼のチームは、2つの検出器のノイズ記録全体にわたって、非ランダムで相関のある山と谷のパターンを発見したようだ。しかし、グリーンとモファットは、コペンハーゲンの物理学者たちが2つのノイズデータセットを「ウィンドウ処理」していなかったと推測した。ウィンドウ処理とは、他のデータとの比較を容易にするために、「フーリエ変換」と呼ばれる数学的演算を行う前に、データセグメントの最初と最後で信号を滑らかにゼロにする標準的な手法である。フーリエ変換は、データセグメントを周期的なものとして扱い、最初と最後をループさせる。セグメントがウィンドウ処理されていない場合、「境界歪み」と呼ばれるエンドポイントでの急激な変化が、データを2つ目のデータセットと比較した際に相関関係のように見えてしまう可能性がある。

グリーン氏とモファット氏が2つのノイズデータにウィンドウ処理を施したところ、主張されていた相関関係は消失した。「コペンハーゲングループが行った計算は、彼らが望む結果を得るために人為的に行われたのではないかという懸念があります」とグリーン氏は述べた。

ニールセン氏と共著者のアレクサンダー・ニッツ氏、コリン・カパノ氏、ダンカン・ブラウン氏も、ノイズの相関関係は事実ではないと結論付けたが、その誤りは少なくとも部分的には、2016年にフィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載された発見論文の最初の図に間違ったデータを提供したLIGOのミスに起因すると述べている。

図1は「人々が腕にタトゥーとして入れているもの」だと、シラキュース大学の重力波天文学者で、LIGOの元メンバーであり、今年、データの独自の分析を行うために共同研究を離れたブラウン氏は語った。

図の上段は、リビングストンとハンフォードで検出された重力波信号を表す並んだ曲がりくねった線を示しています。その下には、信号とよく一致するテンプレート波形が示されており、下段には、テンプレート波形を各データセットから差し引いた後の、2つの検出器における「ノイズ残差」を表すギザギザの線が示されています。

ブラウン氏は、昨年コペンハーゲンを訪れた際に詳細に検証したジャクソン氏のコードが、7ミリ秒のオフセットで残差の重なりを検出するという、ありふれた理由を説明した。図1に示されているテンプレート波形は、LIGOが実際に厳密な解析で使用した「最適」な波形ではないのだ。ブラウン氏らは、この図は説明のために作成されたものだと説明した。図作成者は、慎重な計算によって決定された最適信号ではなく、目視でテンプレート波形を双子の信号に一致させたのである。減算された波形に小さな欠陥があったということは、両方のデータセットに減算されなかった重力波信号が残っており、それが図1の下部に示されているノイズと混ざり合って、ジャクソン氏らのアルゴリズムによって解明できる相関関係を生み出したことになる。「彼らが発見したのは、信号波形の不完全な減算でした」とブラウン氏は述べた。「PRL論文で使用された波形よりも良好な波形を減算すると、統計的に有意な残差は見つかりません。」

「もしLIGOが何か間違ったことをしたとすれば」と彼は付け加えた。「その図の一部が説明的なものであり、検出の主張がその図に基づいていないことを明確に示さなかったことだ」。しかしジャクソン氏は、LIGOの科学者たちが電子メールで「不正行為」を犯し、「読者に、彼らが優れた科学的実践の中心的な規範の一つに違反していることを意図的に知らせない」と非難した。

LIGOのずさんな数値のせいなのか、それともコペンハーゲン・グループの計算ミスのせいなのか？「実際には両方だと思います」とブラウン氏は述べた。もしジャクソン氏らがパラメータを調整し、グリーン氏とモファット氏の研究結果が示唆するように7ミリ秒のずれで相関関係を生み出せたとしたら、計算には本質的にバイアスがかかっていたはずだ。そして、同じずれで、バイアスのかかったアルゴリズムがノイズの中にある不完全な信号ビットを拾い上げ、誤った印象を強めてしまったのだ。

しかしジャクソン氏は、説明のつかない相関関係が存在すると主張し、同僚と共に最近の研究への反論を準備中だと述べた。彼は依然として、LIGOの最初の、そして最も強力な重力波信号（そして拡張して他のすべての信号も）は、全く別の何かだった可能性があると考えている。「ブルキナファソでの落雷、地震、あるいはLIGOの検出器が1時間に1回程度観測する謎の『グリッチ』の一つかもしれない」と彼は述べた。

しかし、どちらの論文もLIGOの生データを検証・再解析し、LIGOとは異なるアルゴリズムを用いて重力波信号を再発見した。他の研究者も同様のことを行っている。

「重力波データの独立した分析を追求することは非常に重要かつ価値のあることであり、より多くの人々が関与していることを嬉しく思います」と、LIGOの広報担当者であるシューメーカー氏は述べた。「ジャクソン氏らの研究がさらなる独立した調査を刺激したことは肯定的な結果と言えるでしょう。しかし、個人的には、全く不必要な『ドラマ』という代償を伴っていると思います。」

一方、LIGOの2台の検出器は、2017年に稼働を開始したヨーロッパの3台目の検出器Virgoと合わせて、これまでに10回のブラックホール衝突と、衝突する中性子星による時空の揺らぎを1回記録しています。科学者たちは今月、最新の4つのブラックホール検出を発表し、これらの謎めいた、目に見えない超高密度の球体が宇宙で増加している様子を示す見事な画像を公開しました。昨年、中性子星の衝突が検出された際には、70台の望遠鏡が花火に向けて観測を行い、その観測結果は金の宇宙起源、宇宙の膨張速度などを示唆しました。

ブラウン氏は、LIGOの革命的な発見が懐疑的な見方を招いたのは驚くべきことではないと述べた。「LIGOを起動させたその日に」強力な現象が検出されたとブラウン氏は述べ、宇宙におけるブラックホールの衝突頻度は予想を上回る水準にあることが判明した。

「宇宙は重力波天文学者を愛している」と彼は言った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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