聞くだけでなく、「測定」もできます!欧州のLISAプロジェクトは、欧州だけが観測できる重力波を捉える

著者：中国科学院上海天文台研究員 韓文彪

知っていましたか？地上では「聞こえる」ことしかできなかった重力波が、まもなく宇宙でも測定可能になります。今日は、今年ヨーロッパで正式に開始された LISA (レーザー干渉計宇宙アンテナ) 宇宙重力波検出器プロジェクトについてお話します。正式名称はレーザー干渉計宇宙アンテナであり、その目的は宇宙の低周波重力波を検出することです。

重力波は宇宙の時空のさざ波として想像できます。池に石を投げ込むと水面に波紋が生じるのと同じように、ブラックホールや中性子星などの天体の激しい動きによっても、同様の波紋が生じることがあります。これらの波紋は実際には光速で伝わる時空の変動であり、重力波と呼ばれています。

では、LISA はどのようにして重力波を検出するのでしょうか。また、なぜ宇宙で重力波を測定する必要があるのでしょうか。以下に詳しく紹介させていただきます。

LISA の原理は、実際には地上の既存の重力波検出器であるレーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) と非常によく似ており、どちらもレーザー干渉技術を使用しています。 LIGO はビームスプリッターを使用してレーザービームを 2 つのビームに分割し、2 本の長いアームで前後に反射させます。重力波が通過すると、2 つの反射腕の長さが変化します。この変化は極めて小さく、おそらく陽子の半径の 1000 分の 1 程度ですが、2 つのレーザー ビームの位相も変化します。再び衝突して干渉すると、時間の経過とともに明るさが変化します。重力波検出器はこの原理を利用して、非常に弱い重力波信号を検出します。

地上の LIGO とは異なり、LISA はこのレーザー干渉計を宇宙に移動します。これは 3 機の同一の宇宙船で構成されており、地球から数千万キロメートル離れた太陽の周りを周回します。軌道は非常に巧妙に設計されており、3機の宇宙船は互いに250万キロメートル離れた状態で常に正三角形を維持します。これはレーザーアームの長さ250万キロメートルに相当し、LIGOの4キロメートルをはるかに超えます。

そのため、工学技術の難しさが想像できます。このような長距離では、250 万キロメートル離れた場所に放射されたレーザーを確実に捕捉するのは非常に困難です。宇宙の複雑な環境により、宇宙船はさまざまな非重力干渉の影響を受け、重力波を検出できない可能性があります。

この目的のために、科学者たちは魔法のような技術的解決策を使用しました。各宇宙船の内部には、真空空洞内に隔離された金プラチナ合金製の小さな立方体が吊り下げられています。重力は非常に不思議な性質を持っています。重力は遮蔽できませんが、電磁力などの他の相互作用は遮蔽できます。このようにして、これらの小さな立方体は重力の力だけを感じます。しかし、それを運ぶ宇宙船はさまざまな干渉を受けました。これを実現するには、宇宙船が小さな立方体とともに移動するように、抗力のない技術を使用して宇宙船を正確に制御する必要もあります。重力波が通過すると、これらの質量間の距離がわずかに変化します。 LISA はレーザー干渉法と呼ばれる技術を使用してこれらの変化を非常に正確に測定し、数ピコメートル (ピコメートルは 1 兆分の 1 メートル) ほどの小さな変化でも検出することができます。

このような長いアームの長さにより、LISA はミリヘルツ帯域の重力波信号を検出することができます。これらの低周波重力波は通常、太陽の数百万倍の質量を持つ超大質量ブラックホールから発生します。これは地上の LIGO では検出できないものです。 LISAは超高感度のため、宇宙誕生直後のさまざまな重力波信号を検出でき、初期宇宙に関する科学的知識を明らかにします。

もちろん、我が国は遅れをとるつもりはなく、宇宙でLISAと競争し、共同で宇宙の謎を探る準備として、太極と天琴という2つの宇宙重力波検出プロジェクトを提案しました。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者名: ハン・ウェンビャオ

査読者: 劉 琅良、中国科学院国家宇宙科学センター研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司