なぜアインシュタインが予測した重力波は100年後に初めて検出されたのでしょうか?

考古学者の夢は李白の詠唱の音を記録することであり、古生物学者の夢は恐竜の咆哮の音を記録することである。彼らの夢は難しすぎる。幸運なのは天文学者だけだ。彼らは、超大質量星や数十億年前の初期の宇宙活動の「音」、つまりナノヘルツの重力波を「聞く」のです。

重力波は空間そのものの波紋です。私たちの世界は 2 つの部分で構成されています。1 つは物質であり、もう 1 つは物質が存在する空間 (物理学者はこれを「時空」とも呼びます) です。

宇宙は非常に安定しているようです。定規を取り出してみれば、北京にいてもニューヨークにいても、左右、前後、上下を向いても、1メートルはちょうどその長さであり、変化はありません。

しかし相対性理論によれば、空間は「曲がる」のです。それだけでなく、アインシュタインと数学者ポアンカレは、多くの場合、空間の曲率が波紋のように広がる可能性があることも予測しました。つまり、宇宙全体が湖のようなもので、天体の（特定の）動きによって、湖にあらゆる種類の波紋、つまり重力波が広がるのです。

科学者たちは重力波のグラフィックを記録し、その波形を音波のように再生し、宇宙の音を「聞いた」。これは人類が想像できる最も古い音であり、その歴史は数億年、あるいは数百億年前にまで遡るかもしれません。

重力波にはさまざまな周波数があります。低周波重力波は、一般的に超大質量ブラックホールの回転と歳差運動から生じますが、混沌とした初期宇宙から生じる可能性もあります。これらは、超大質量ブラックホールの謎を探り、さらには初期宇宙の活動を研究するための非常に貴重な窓です。

空間の変動を検出するのは、変動が弱すぎるため非常に困難な作業です。 100年前にアインシュタインが予測した重力波は、2015年まで人類によって明確に検出されませんでした。

元々の方法は、レーザー装置を使用して「アレイ」を形成し、それが空間の長さを測定する「定規」として機能していた。定規が突然長くなったり短くなったりした場合は、空間の曲率のさざ波が通過しており、重力波が検出されたことを意味します。

さまざまなサイズの定規を使用して、さまざまな波長の重力波を見つけることができます。定規が大きいほど、発見される重力波の波長が長くなり、周波数が低くなり、超大質量ブラックホールの回転や螺旋運動に関する情報や初期宇宙が残した手がかりが得られる可能性が高くなります。

人類が重力波を検出するために使用した最初の物差しは、長さが数キロメートルあり、数十から数百ヘルツの空間変動を検出しました。

地上でそれを大きくするのは難しいので、科学者たちは宇宙に定規を作りました。わが国の「天琴プロジェクト」をはじめ、複数の研究グループが衛星を利用して広大な宇宙空間に巨大なレーザー定規を構築し、より大規模な宇宙変動を測定しています。彼らは数ヘルツの周波数を持つ重力波を発見した。

これだけでもすごいことですが、人間の探求に終わりはありません。数百ヘルツでは十分ではなく、数ヘルツでも十分ではなく、ナノヘルツ（ヘルツの10億分の1）が必要です。

定規を大きくするにはどうすればいいですか?ナノヘルツ周波数の重力波を探すには、宇宙全体を実験室として使い、銀河間の距離と同じ長さの定規で重力波を検出しなければならないのでしょうか? ——それは可能ですか？

それは可能であるだけでなく、実際に実行されています。

科学者たちは宇宙のパルサーをそのまま実験装置として利用し、宇宙規模の極めて巨大な「物差し」を作ります。

パルサーは、暗い宇宙の中で人が高輝度の懐中電灯を持って前後に回転させているのと同じように、高エネルギーの光線を継続的に放射しながら、安定して高速で回転する特殊なタイプの天体です。もし彼の懐中電灯が地球全体を照らすことができれば、人類は非常に安定した時間間隔で断続的に発生する「懐中電灯」信号を観測することになるだろう。

では、この安定した「懐中電灯」信号が突然短くなったり遅れたりした場合、それは何を意味するのでしょうか?伝播している空間が歪んでいる可能性が非常に高いです。つまり、重力波がこの地域を通過した可能性がある。複数のパルサーが同時に観測されると、重力波によって掃引される信号はより明確かつ正確になります。

科学者たちは、これまでに知られている多数のパルサーを「配列」とみなし、配列内のどのパルサー信号がいつ変化するかを観測することで重力波の情報を推測します。宇宙に配置されたこの配列は、学術的にはパルサータイミングアレイ (PTA) と呼ばれます。タイトルにある CPTA とは、中国チームと中国における関連プロジェクトのことです。

最近、中国は貴州省の山岳地帯にある巨大な電波望遠鏡（FAST、「中国の天眼」）を使用して、周期57ミリ秒のパルサーの配列を観測し、非常に高い精度（誤報率約50万分の1）でナノヘルツレベルの重力波の存在の証拠を取得しました。

このような低周波重力波は、波長が数光年、周波数が数年であるが、空間の歪みは無視できるほど小さい。中国チームは優れた精度を達成した。これは、宇宙規模の実験装置を使用して、当社の科学者が長期にわたって入念に磨き上げた成果です。

ナノヘルツ重力波の初期の探査では、私たちが捉えた信号が特定の天文現象に対応しているとは言えません。それは、ナノヘルツの周波数で波打つ宇宙全体の背景のようなものです。湖の水と同じように、風の波、魚の模様、雨粒を除けば、その全体的な形は依然としてゆっくりと波立ち、沈んでいます。これらの信号は、超大質量ブラックホールや宇宙そのものが何百億、何千億年もかけて広大な空間に描いた巨大な光のパターンです。かつて中国の詩人がこう書いた。

「ペンが地平線を描くとき

あなたは東洋のゴングによって目覚めた

エコーに咲くのは

「時のバラ」。