アインシュタインの重力波で聴く
宇宙の調べ
スタン ウイットコム
山本博章
カリフォルニア工科大学
重力波で探る宇宙
平成21年5月30日
1
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
『自然哲学の数学的諸原理』
2
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
 2つの物質が
同じ力で引き合う
3
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
 非常に成功した理論
 地上及び天体の当時の問
題をほとんど説明した
» 彗星の離心軌道
» 潮の干満
» 月の軌道の太陽の重力によ
る摂動
 ガリレオ、コペルニクス、ケ
プラーの仕事の集大成
4
しかし、計算が合わ無い事が1つと
説明出来ない事が2つあった
観測された水星の近日点移動が
ニュートンの理論の計算値より
43秒早かった
ニュートンの万有引力はどうして起こるのか?
なぜ、重力が瞬間的に伝わるのか?
5
一般相対性理論
革命的な発想
 19世紀の、時間と空間が別
々で絶対的だ、
という考えを捨て去る
 時空 = 空間三次元 + 時間
 時間と空間の概念は相対的
AIP Emilio Segrè Visual Archives
6
一般相対性理論
革命的な発想




重力は力ではなく、時空の性質
質量、即ちエネルギーが局在すると時空が歪む
物質は、この歪んだ時空の最短距離を取る様に運動する
水星の近日点移動を説明
A
B
7
アインシュタイン理論の
新しい予言
光は、太陽の様な重い物
体の側を通ると曲げられ
る
本当の星の位置
地球
見かけ上の星の
位置
地球
太陽
© Royal Astronomical Society
太陽と星の間の角度に逆比例
日食の時にのみ、観測出来る
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アインシュタインの予言の確証….
 イギリスの著名な天文学者、アーサー・エディ
ントン卿は、1919年5月29日の皆既日食の
時、ヒヤデス星団を撮影する為に遠征した
観測された
偏差
© Science Museum/Science and Society Picture Library
偏差が無い場合
0
ニュートンの予測
0.87秒
アインシュタイン
1.75秒
プリンシペ島
1.61 ± 0.30秒
ソブラル
1.98 ± 0.12秒
9
相対性理論の
素晴らしい検証
科学の革命
宇宙の新理論
ニュートンの考えが覆される
London Times,1919年11月6日
6 November 1919
ロンドンタイムズ
Illustrated London News 22 Nov 1919
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新しい予言:
重力波
オタワのユーサフ・カーシュ撮影
提供 AIP Emilio Segre Visual Archives
光の速度で伝わる
時空のさざ波
11
重力波の痕跡は
T
1974年まで
h
e
見つからなかった
ラッセル A. ハルス
二重パルサー
PSR 1913 + 16
を発見し研究
Source: www.NSF.gov
12
ジョゼフ H.テイラー
Jr
中性子星 連星
PSR 1913 + 16
我々の太陽と同じ位の重さだが
直径がたったの20キロメートル
17 / sec


~ 8 hr
2つの中性子星が軌道上を運動している
•100万 km離れている
一般相対論の予測
• 一周あたり3mm落ち込む
• 軌道周期の変化率
13
重力波の証拠!
ノーベル賞
軌道周期の変化(秒)
of Orbit (seconds)
Advance
No GWs
軌道周期の変化の観測値
と一般相対論による計算値
の比較
General
Relativity
Prediction
一般相対論の予測
Year
年
14
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 空間の円周上に物質
があるとする
 何の力も受けず、重力
波の影響だけ受けると
する
15
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 重力波がこの面内に入
って行くとする
 物体間の
距離の変化(dL)は
最初の距離(L)
に比例する
16
重力波の源
17
強い重力波を出す為の条件
 ほとんどどんな物でも、運動する物は重力波を
出す
 しかし!
 強い重力波を出すためには:
大きな質量
速い運動(大きな加速度)
 観測可能な重力波の源は宇宙の規模
18
中性子星 連星
 ハルス、テイラーの連星パルサーの様な系
 エネルギーを重力波の放出で失う
 互いにらせん状に運動し落ち込む
» 最初はゆっくり
» 2つの中性子星間の
距離が縮まるにつれ、
早くなる
» 最後に衝突して合体する
19
中性子星 連星
 重力波で、らせん状に引かれ合って落ち込んで
いく時、何が起こっているか調べる事が出来る
» 最初ゆっくりした周期で、それが早くなってゆく
» ゆっくりと振幅が大きくなる
 各々の星の質量,
軌道,
場所,
距離
 最後の瞬間は
一分ぐらい
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ブラックホール
 中性子星の代わりに、ブラックホールが対にな
っている連星もあるだろう
» 非常に重い星から出来た連星?
» その様な系の確証はまだ無い
 非常に強い重力波源
 重力波が、ブラックホール
を探る唯一の手立て
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ブラックホールの衝突
 ブラックホールはこの宇宙の中で
非常に単純な構造を持った物の1つだが、
同時に最も謎に満ちた物でもある
» 完全に次の3つの数で表される
質量
螺旋運動
スピン(回転数)
電荷
合体
収束
 重力波は、
ブラックホールの
ぎりぎりの所まで
探る事が出来る。
22
超新星: 我々の宇宙で起こる、
もっともエネルギッシュな出来事の1つ
 太陽の7倍以上の質量を持つ
星が、その全ての水素を燃や
し尽くす
 残りの燃料を燃やし尽くす過
程で赤色巨星となる
 芯が潰れて中性子星となる
 潰れていく過程で、星の外の
方が弾き出される
 2〜3日、銀河系全体と同じ
位の明るさを持つ
1000億の星と1個の超新星
23
超新星からの重力波?
 超新星からの光の眺めは素晴らしいが、
それだけではその原因はあまり分からない
 超高速運動
» 核の崩壊は非常に急激(一秒よりはるかに短い)
 重い星
 強い重力波を
出す為の条件を
全て備えている
Simulation: Ott 2006, Ott et al. 2007
Visualization: R. Kaehler, Zuse
Institute/AEI
24
回転する中性子星(パルサー)
 中性子星は超新星のなれの果て
 太陽の約1.4倍の重さだが、直径はたったの20km
 磁場の強さは、地上の一番強い磁場の10億倍であり、
高速で回転している
 ラジオの波長の非常に周期的な電磁波を出す
 3mm位のでっぱりがあれば、
綺麗な正弦波的な重力波を放
出する。
25
ビッグバンの ‘ささやき’
宇宙の初期のシグナル
ビッグバン
特異点
今の地
球
100億年
1秒
10万年
Cosmic
宇宙マイクロ波
microwave
background
背景放射
26
ビッグバンの ‘ささやき’
宇宙の初期のシグナル
佐藤教授のお話に続く
27
重力波の検出
28
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 重力波を記述する
一番大切な量:
強度(DL/L)
周期
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光を使った重力波の検出
マイケルソン
干渉計
極端に効果を誇張しています!!
非常に強い波の強度(DL/L) は約 10-21
L = 1 km, => DL = 10-18 m
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10-18 メートルとはどの位短い?
1 メートル
1 / 1万
髪の毛~ 100 ミクロン
1 / 100
光の波長~ 1 ミクロン
1 / 1万
原子の大きさ 10-10 m
1 / 10万
原子核の大きさ 10-15 m
1 / 1000
重力波検出器 10-18 m
31
重力波検出器の
全世界ネットワーク
LIGO
GEO
Virgo
TAMA/LCGT
• 確かな信号取得
• 信号源の場所の特定
AIGO
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未来への課題
 重力波の存在は疑う余地は無い
 その検出は、今まで科学者が取り組んできた中
でも、最もやりがいのある物の1つである
 重力波は我々に新しい宇宙を見せてくれる
 思っても見なかった様な物が隠されているだろう!
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Shedding Light on Relativity