この記事は クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversation から転載されました。
宇宙に他に何があるのか、私たちは実際にどれくらい知っているのでしょうか?
ちょっと突飛な例を挙げてみましょう。もしSFドラマでよく見るようなワープドライブ技術を持った宇宙人が銀河系を飛び回っていたら、彼らの宇宙船から発せられる信号はどんな形になるでしょうか？驚くべきことに、私たちの研究は、そのようなものが本当に存在するかどうかに関わらず、この疑問に答える手段を持っていることを示しています。
光を使って宇宙を探査する望遠鏡は、今や観測可能な範囲のほぼ限界まで見通すことができます。ガンマ線やX線から赤外線や電波に至るまで、私たちが探究してきた新しい周波数のそれぞれが、私たちに新たな、そして予期せぬ何かを教えてくれました。
2015年、LIGOと呼ばれる新しいタイプの望遠鏡が稼働を開始しました。これは光波ではなく、時空における目に見えない「さざ波」である重力波を観測するためのものでした。自然は再び私たちを驚かせました。それは、2つのブラックホールから発信されたGW150914という信号でした。それぞれのブラックホールは太陽の約30倍の質量を持ち、14億光年離れた場所で激しい衝突を起こして合体したのです。
それ以来、重力波は宇宙を探究する学者にとって不可欠な新たなツールとなりました。しかし、私たちはまだ探究の始まりに過ぎません。データにはどのようなシグナルが見られるのでしょうか。そして、それは宇宙の物理学に対する私たちの見方を変えるのでしょうか。
しかし、見落とされがちな、より実際的な疑問があります。何かがそこに存在する場合、私たちはそれをどうやって認識するのでしょうか?
SFから本格的な科学へ
スタートレックなどのドラマでワープドライブをご覧になったことがあるかもしれません。ワープドライブとは、宇宙船の前方の空間を圧縮し、後方の空間を拡張するという、仮想的な技術です。光速を超える速度で移動することはできませんが、ワープドライブを使えば距離を縮めることができます。つまり、A地点からB地点への移動時間は、光が圧縮されていない別の経路を進む時間よりも短くなります。
SFから現実の科学への飛躍は、1994年に理論物理学者のミゲル・アルクビエレ氏が、アインシュタインの一般相対性理論の方程式を使ってワープドライブをモデル化するという発想を得たときに起こった。
一般相対性理論は、時空の曲率（重力）と物質またはエネルギー（対象）の分布との関係です。通常、私たちはまず「対象」を知ることから始めます。例えば、惑星や恒星を表す物質の塊があることは分かっています。次に、その「対象」を方程式に代入して、時空がどのように曲がっているかを決定します。そして、その曲がった状態から、その物体の周囲で測定される重力の大きさが分かります。
物体が時空を曲げる仕組み。
写真：デザインセルズ/ゲッティイメージズこれはまさにアイザック・ニュートンの重力の考え方、つまり物体の質量とそれが及ぼす重力の関係性を示す考え方と言えるでしょう。確かにその通りです。しかし、時空の曲率という概念は、単純な力よりもはるかに多様な現象を生み出します。それは、宇宙を膨張させる一種の反発的な重力を生み出し、巨大な物体の周りの時間の遅れや時空における重力波を生み出し、そして少なくとも理論上はワープドライブを可能にするのです。
アルクビエレは、通常とは逆の方向から問題に取り組んだ。彼は自分が求めている時空曲率の種類を知っていた。それは、物体が歪んだ時空領域をサーフィンできるような曲率だった。そこで彼は、それを作り出すために必要な物質構成を逆算して決定した。それは方程式の自然な解ではなく、むしろ「オーダーメイド」のようなものだった。しかし、それは彼が注文した通りのものではなかった。彼は、空間を適切に歪めるには、負のエネルギー密度を持つエキゾチック物質が必要だと気づいた。
エキゾチック物質の解は、物理学者から一般的に懐疑的に見られており、それは当然のことです。数学的には負のエネルギーを持つ物質を記述できますが、私たちが知るほとんどすべてのものは正のエネルギーを持っているように見えます。しかし、量子物理学では、エネルギーの正性が一時的にわずかに破れることが観察されており、「負のエネルギーは存在しない」という法則は絶対的な基本法則にはなり得ません。
ワープドライブから波動へ
アルクビエレのワープドライブ時空モデルを考えれば、当初の疑問である「そこからの信号はどのようなものになるのか？」に答えることができるでしょう。
現代の重力波観測の基礎の 1 つであり、その最大の成果の 1 つは、「数値相対論」と呼ばれるツールを使用して物理的なシナリオから波形を正確に予測する能力です。
このツールが重要な理由は2つあります。1つ目は、検出器から得られるデータにはまだ非常にノイズが多いため、データストリームから信号を抽出するには、その信号がどのようなものか大まかに把握しておく必要があることです。2つ目は、信号がノイズよりも目立つほど大きくても、それを解釈するにはモデルが必要になることです。つまり、信号とその種類を一致させるためには、様々な種類のイベントをモデル化しておく必要があるのです。そうでなければ、ノイズとして無視したり、ブラックホールの合体と誤って分類したりしてしまう可能性があります。
ワープドライブ時空の問題の一つは、始動または停止しない限り、重力波を自然に発生させないことです。私たちの考えは、ワープドライブが停止した場合、特に何か問題が発生した場合に何が起こるかを研究することでした。例えば、ワープドライブの封じ込めフィールドが崩壊したと仮定しましょう（SFの定番のストーリーです）。おそらく、エキゾチック物質と重力波の両方が爆発的に放出されるでしょう。これは数値相対論を用いてシミュレートすることが可能であり、実際に実行しました。
ワープドライブバブルの崩壊は、実に極めて激しい現象であることが分かりました。時空を歪めるために必要な膨大なエネルギーが、重力波と正負の物質エネルギーの波として放出されます。残念ながら、船の乗組員は潮汐力によって引き裂かれ、おそらく命を落とすでしょう。
ワープスピードだ、スコッティ！
重力波信号が放射されることはわかっていました。物質が乱雑に動くと、重力波が発生します。しかし、その振幅と周波数、そしてそれらが歪んだ領域の大きさにどのように依存するかは予測できませんでした。
1キロメートルサイズの宇宙船にとって、この信号の振幅は銀河系内、さらには銀河系外のあらゆる事象において顕著であることに驚きました。1メガパーセク（アンドロメダ銀河よりわずかに遠い距離）の距離では、この信号は現在の検出器の感度と同程度です。しかし、この波の周波数は、観測範囲の約1000倍にもなります。
正直に言って、私たちの信号が決定的なワープドライブ信号だと主張することはできません。モデルでは、かなり多くの具体的な選択を行う必要がありました。そして、私たちが想定しているエイリアンは、異なる選択をしたかもしれません。しかし、原理実証として、この信号は、標準的な天体物理学的事象を超える事例もモデル化可能であり、将来の検出器で探査できるような独特の形状を持つ可能性があることを示しています。
私たちの研究は、光波の研究と比較すると、私たちはまだガリレオの時代、つまり可視光の狭い周波数帯域で宇宙の写真を撮る段階に留まっていることを改めて思い起こさせます。重力波の周波数スペクトル全体はまだ探究の余地があり、それは時空を超えて起こる様々な現象に敏感に反応するでしょう。
