重力波天文学の幕開け

アインシュタインが100年前に予言した「重力波」が、ついに発見された。重力波とは何なのか、どのようにして見つかったのか、そして重力波で宇宙を見る「重力波天文学」の将来について、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の村山斉機構長にうかがった。

第3回では「重力波で宇宙を見る『重力波天文学』への期待」についてお聞きする。

重力波天文学で期待されること

---重力波が発見されたことで、重力波で宇宙を見る「重力波天文学」が幕を開けた、といわれていますが、重力波を使うことで何が見えるようになるのでしょうか。

村山: まずひとつは、今回見つかったようなブラックホールや、また中性子星といった重い星が合体するときに出る重力波を見るというのがターゲットとなります。

ただ、他にもいろんな計画があります。たとえば欧州では「LISA」[*4]という計画があります。LISAには光を出す人工衛星と、鏡で受け止める人工衛星があって、3機が編隊で飛行して空間の歪みを見ます。

LISAでは、LIGOが見ることができるものとは周波数が異なる重力波、宇宙のずっと初期に起きたような現象から来た重力波が見えるのでは、と言われています。

もっと周波数の低い重力波が見られると、宇宙が始まった直後の「インフレーション」が見られるようになります。バクテリアぐらいの大きさの宇宙が、一瞬にして銀河サイズにまで引き伸ばされるということが起きたというものです。もしそれが起きたとすると、ぐわんぐわんとなりますよね。その空間のゆがみが今も宇宙を伝わっていて、その重力波が捉えられれば、インフレーションが起きたという証拠になります。このために、我々がリーダー格を務めている計画で「LiteBIRD」[*5]というものがあります。2022年ぐらいに打ち上げたいと思っています。

ちょうど光で言えば、可視光から赤外線、電波、X線といったように広がっていたように、重力波も、色々な装置で観測することで今まで思いもしなかったものが見える可能性があります。

--具体的にはどのようなものが見つかると期待されているのでしょうか?

村山:探していなかったもの、予期していないものが見つかることですね。

もう少し具体的なことをいうと、元素のうち、鉄までは超新星の中でできたことはほぼ間違いないといわれています。でも、鉄よりも重い元素、たとえば鉛や金、銀、プラチナなどは、どこから来たのかまだわかっていないんです。候補として挙げられているのは、中性子星の合体で、そのときに新しい元素が作られて宇宙にちりばめられたのではないかと考えられています。でもまだ証拠はないんですね。

中性子星同士の合体は重力波天文学で見えるはずですから、まずそれを捉える。そしてその場所を他の光学望遠鏡やX線望遠鏡で見ることで、そこでどういう物質がどういう反応を起こしているのかが見えてくる。そういうことから、確かにここで金が作られているぞ、といったことがわかるわけです。そういう風に発展していく可能性は十分にあると考えています。

あと、ダークマターは小さなブラックホールなのではないか、という説があります。少し筋が悪い説で、そうではないと思われてもいるのですが、仮にそうだとして、一部でもブラックホールでできているとすると、その合体から発生する重力波もあるはずです。(この説が)どれくらいの可能性があるのか、あるいはないのかが調べられます。そういうことにも応用が広がると思います。

こうした話をしていると、「見えないものの話をしているけれど、本当にそんなことわかるの?」と言われますが、原子だって19世紀に見た人は誰もいないわけです。でもメンデレーエフが周期表を作って、誰も見たことがないのに「水はH₂Oだ」とわかったわけです。科学というのはそういうことができるんです。見えなくても、いろんな証拠から考えてこうに違いない、と割り出すことはずっとやってきたわけです。

見えないからわからない、というのは思い込みで、見えなくてもいろんな手段がありますから、それらを組み合わせて、総合的に「こうに違いない」と判断してきた例はたくさんあります。

極端なことを言えば、光だって見えてはいません。光というのは、人間の網膜を光が叩くと、網膜にある電子が動かされて、その電子が動いた電流を神経が拾うから我々は見た、と感じるわけですけれど、光そのものを見たわけではないんですね。

「見る」ということは、実はすごく間接的な証拠を積み重ねた結果なんです。

--よくご著書などで、「宇宙はどこまで広がっているのか、終わりはあるのか」、「宇宙の始まりはどんなものだったのか」、「宇宙は何でできているのか」といったことを追い続けていると書かれていらっしゃいます。重力波天文学で、そうした謎へ近づけるでしょうか?

村山:たとえば、LiteBIRDでインフレーションの直接の証拠が見つかれば、「宇宙は確かにインフレーションで始まったんだ」ということがわかります。これはものすごいことです。現在の138億光年の宇宙の広がりが、宇宙が生まれたときには原子1個分よりもはるかに小さいところから始まったということになります。

今のところはまだ夢ですけれど、何を見ればよいかわかっているわけですから、その答えに近付いている段階にあります。

たとえば音楽でいうと、いろんな音程、つまり波長の音が混ざって音楽になっていますよね。それを詳しく調べると、それぞれの波長の割合や音の大きさの比率がわかるわけです。

インフレーション起源の重力波も、ある波長はこれくらい、また別のある波長はこれくらいといった、形のようなものが予言されています。それに合うかどうかが重要なポイントになります。

ですから、すごく大きな空間から重力波が来ているということが見つかるだけではだめで、それが本当にインフレーションの特徴的なパターンに合致しているかどうかまで見て、おそらくこれはインフレーション起源の重力波だろう、と結論付けることになると思います。

もしかしたら2020年代に、それが見られるかもしれません。私の夢は今、実現に向かっているところにあります。

【脚注】

*4: 「LISA」(リサ)……欧州宇宙機関(ESA)が計画している宇宙に浮かぶ重力波望遠鏡。3機の衛星を100万kmずつ離して編隊飛行させ、その間にレーザー光を飛ばして、重力波による衛星間の距離の変化を調べる。2015年12月には、LISAの実現に必要となるさまざまな新技術の実証を行う「LISAパスファインダー」が打ち上げられ、現在も試験が続けられている。現在、LISAはまだ正式にプロジェクトとしてスタートはしていないが、2034年の打ち上げが計画されている。

*5: 「LiteBIRD」(ライトバード)……「インフレーション」と呼ばれる、宇宙ができた直後の姿に関する仮説を検証することを目的とした衛星計画。初期の宇宙は超高温、超高密度の状態(ビッグバン)であったとされ、これは1965年に裏付けられているが、さらにそれよりも前には、宇宙は素粒子よりもはるかに小さなところから、ごく短時間に大きく膨張し、そしてビッグバンになったのではという仮説が、1981年に佐藤勝彦氏、Alan Guth氏らによって提唱された。このインフレーションによっても重力波が発生したと考えられており、それを捉えることができれば、インフレーションが確かにあったという証拠になる。

【参考】

・Arianespace - Press Release - VV06: with Arianespace, Vega successfully places ESA's LISA Pathfinder technology demonstrator into orbit
http://www.arianespace.com/news-press-release/2015/12-3-2015-VV06-launch-success.asp
・Arianespace - Mission Update - The sixth Vega success supports European science with launch of the LISA Pathfinder space probe
http://www.arianespace.com/news-mission-update/2015/1371-success.asp
・LISA Pathfinder overview / Space Science / Our Activities / ESA
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/LISA_
Pathfinder_overview
・LiteBIRDLite(Light) Satellite for the Studies of B-mode Polarization and Inflation from Cosmic Background Radiation Detectionインフレーション宇宙を検証するLiteBIRD計画の現状片山伸彦(Kavli IPMU/総研大)
http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~obscosm2015/20151119_experimental_cosmophysics_v3.pdf