重力波とは。また重力波望遠鏡はレーザー干渉計による精密な長さ測定を原理とする

空間が歪んだことによる長さの変化を光波干渉計でとらえる （タイトル その１　短い文章による重力波と観測装置） 空間が歪んだことによる長さの変化を光波干渉計でとらえる （本文） 　L字型をした4キロメートルの同一の長さの装置をつくってその長さ比較をする。ここに20桁ほど0を連ねた差が生じるとレーザーを用いた光波干渉装置にはモアレ縞を発生させてそれを感じ取る。空間の歪みの現象をこの装置が感じ取ったその状態は重力波の検証である。そのように言われていて専門の学者・研究者は米国の重力波観測チームによる観測装置「LIGO」（ライゴ）にその現象が出現したと認めている。これが重力波の直接の観測第一号であり2016年2月11日に発表された。 質量の作用によって空間が歪むことはいくつかの形で確かめられていた。この歪みを直接に観測するために光波干渉計が設置されていて、この装置に重力波が到達して空間の歪みが観測された。日本の観測装置は近く稼働する。欧州ではいくつかの観測装置が動いている。米国のその装置は観測の精度としての感度を上げる改良をして、その装置が空間の歪みによって生じたL字型の腕の長さの差を検知した。 少し乱暴な表現であるが、宇宙の誕生は人の誕生でもある。生命をもち知能をもつ人の誕生は宇宙の誕生なくしてあり得ない。宇宙の誕生は無から有への転換であり、時間と空間の発生でもある。その宇宙の観測のためにガリレオガリレイは望遠鏡を用いた。見えたのは恒星と地球の惑星であるがこの惑星がよく見えるようになった。望遠鏡は倍率を上げた。そのあとにて赤外線やX線やマイクロ波による観測が行われるようになった。国立天文台のすばる望遠鏡は可視光から赤外線領域の観測をする仕組みだ。 　星々が生まれてくる高温の塵（ちり）の塊（かたまり）でいっぱいだった。X線で見た宇宙は星々の死骸だらけであった。マイクロ波で見た宇宙はビッグバンの高熱の名残に満たされていた。観測に重力波を用いることによって天文学は新たな地平をきりひらく。 　赤外線で見た宇宙は、星々が生まれてくる高温の塵（ちり）の塊（かたまり）でいっぱいだった。X線で見た宇宙は星々の死骸だらけであった。マイクロ波で見た宇宙はビッグバンの高熱の名残に満たされていた。観測に重力波を用いることによって天文学は新たな地平をきりひらく。 　星々が生まれてくる高温の塵（ちり）の塊（かたまり）を最初の赤外線望遠鏡は観測し、そののち分光撮像装置の改良によって別のようすを見るようになった。X線望遠鏡に映ったのは星々の死骸だらけの宇宙であった。マイクロ波で見た宇宙はビッグバンの高熱の名残に満たされていた。「ゆがんだ空間がぐちゃぐちゃにかき混ぜられて刻々と変化していく」のがブラックホールであり、このような現象を米国、欧州、日本の重力波天体望遠鏡による共同観測によって見ることができるかも知れれない。重力波による観測によってこれまでは捉えることができなかった宇宙を姿が出現する。 ニュートリノに反応し、ニュートリノに質量があるために振動することをとらえたのが光電面の直径が約50センチメートルの光センサーの光電子増倍管である。これは11,129本取り付けられた光計測器である。レーザー利用の巨大にして精密なマイケルソン光波干渉計によって重力波による空間の歪みとしての長さの伸び縮みが観測された。計測機器と計測方法そして計測技術と科学や学術とのかかわりをニュートリノ観測、ニュートリノ震動の観測、重力波の観測にみることができる。 レーザー干渉計型重力波検出器 （画像はKAGRA計画のホームページに掲載のものを使用しました） レーザー干渉計型重力波検出器と重力波の影響およびその検出の原理図 （画像はKAGRA計画のホームページに掲載のものを使用しました） 大型低温重力波望遠鏡KAGRAのイメージ図 （画像はKAGRA計画のホームページに掲載のものを使用しました） ブラックホール連星のイメージ図 （画像はKAGRA計画のホームページに掲載のものを使用しました） 画像は重力波のイメージ図 （国立天文台のホームページに掲載のものを使用しました） （タイトル　その２　重力波と観測装置を説明する） アインシュタインが予言した重力波を直接にとらえることに成功した米国「LIGO」チーム （重力波望遠鏡はレーザー干渉計による精密な長さ測定を原理とする） （本文） 　アインシュタインが予言した重力波は間接にはとらえられていたが、レーザー干渉計によって直接に検知された。2016年2月11日に米カリフォルニア工科大と米マサチューセッツ工科大などの研究チームが発表した重力波の直接の検知であり、2015年9月14日に米国にある観測装置「LIGO」（ライゴ）に重力波が作用したのに対してレーザー干渉計が動作したのである。 　この事実は日本で間もなく稼働する同じ仕組みの大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」（かぐら）チームは先を越されたことへの感情がある一方で確かな形で重力波がとらえられたことによって、重力波望遠鏡による天体観測の幕が開けたことへの喜びを表明している。今後は　岐阜県飛騨市神岡の神岡鉱山跡地に据えられた「KAGRA」が、米国の重力波望遠鏡「LIGO（ライゴ）」（レーザー干渉計重力波天文台）（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory）と連携して天体観測の新しい領域を切り開くことになる。 重力波（じゅうりょくは）は、時空（重力場）の曲率（ゆがみ）の時間変動が波動として光速で伝播する現象である、この現象は電磁波とは違っている。重力波は1916年に一般相対性理論に基づいてアルベルト・アインシュタインによってその存在が予言されたのち100年近くにわたって直接に検出する試みがなされてきた。 　間接に重力波は検出されてはいた。1974年にジョゼフ・テイラーとラッセル・ハルスは、連星パルサーのPSR B1913+16を発見し、自転周期とパルスの放射周期を精密に観測し軌道周期が徐々に短くなっていることをつきとめた。この現象は重力波によってエネルギーが外に持ち出されたことで起きるとされ、その周期減少率は一般相対論の予言値に誤差の範囲内で一致した。2人は「重力研究の新しい可能性を開いた新型連星パルサーの発見」としてノーベル物理学賞を1993年に受賞した。 　素粒子物理学の標準理論では重力相互作用を伝達する素粒子として重力子（graviton）が想定されている。しかし2016年の時点ではこれは検出されていない。重力波の検出は、現在の一般相対性理論研究の大きな柱の1つである。重力波検出のために巨大な設備のレーザー干渉計や共振型観測装置が世界の数拠点で稼働している。日本でも近く飛騨市神岡に建設中の「KAGRA」（かぐら）が稼働する。重力波は非常に弱いので観測装置の能力が不足すると直接の信号はノイズに埋もれて見つけにくい。このため観測データから重力波を抽出するには重力波の波形を理論的に計算して予測する研究がつづけられてきた。今回のレーザー干渉計方式の重力波望遠鏡をつかった米国「LIGO」チームは重力波を直接に明瞭にとらえている。 　重力波は物体が加速度運動をすることにより放出される。完全な球対称な運動（星の崩壊など）や円筒対称な運動（円盤状物体の回転など）からは放出されない。巨大な質量の天体が光速に近い速度で運動するときに重力波は強く発生する。ブラックホール、中性子星、白色矮星などのコンパクトで大きな質量を持つ天体が連星系を形成すると、重力波によってエネルギーを放出して合体する。 　観測装置「LIGO」で検出した重力波は、球から約13億光年の位置にある2つのブラックホールが互いに渦を巻くように回転して衝突したときに発生したものである。これによって時空の「さざ波」のような状態の重力波が直接に観測された。 　2つの鏡を4キロメートル離れたところに設置すると、重力波によって陽子の直径の1万分の1の変化が生じる。「LIGO」の検出器でこれを検出（測定）した。 　「LIGO」（ライゴ）は、L字型をした2基の同じ検出器をルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに設置されている。検出した信号が本物であるためには、両方の検出器で同時にキャッチされなければならない。検出器はL字型に直交するアームのそれぞれに鏡を設置している。通過する重力波は、時空を1つの方向に引き伸ばし、もう1つの方向に押し縮めて、検出器のアームの長さをごくわずかだけ変化させる。この変化をレーザーで測定する。 試行錯誤をつうじてやっとたどり着いた重力波の直接検出であるが。重力波が観測できるとアインシュタインの方程式を使うと、どのような天体現象がその重力波を発生させたかを推定できる。今回とらえることができた重力波は2つのブラックホールの衝突によって発生したものだ。2つのブラックホールは合体し、太陽の60倍以上の質量を持つ1つのブラックホールを形成した。 　巨大な恒星が死んで押しつぶされるときに形成されるブラックホールは、宇宙で最も奇妙な天体の1つである。近づいてきた物質や光を圧倒的な重力で捉えてしまう高密度のブラックホールは「ゆがんだ空間がぐちゃぐちゃにかき混ぜられて刻々と変化していく」という理論が説かれている。 飛騨市神岡に建設されていて間もなく動きだす重力波望遠鏡「KAGRA」（かぐら）が米国などのそれらと連携して重力波を観測すると、三角測量の原理によって発生源の方角や位置を特定できる。 重力波の働きで生ずる動作を観測できる重力波望遠鏡は、光学望遠鏡あるいはエックス線望遠鏡では見えなかった現象がとらえられる。これまでは見えなかった宇宙の現象にせまるのが重力波望遠鏡である。 　重力波で宇宙を見ることは、人類が初めて赤外線X線やマイクロ波の目で宇宙を見たときに匹敵する。人類は何千年も前から可視光で恒星や惑星を見て、その動きを観察してきた。初めて赤外線で見た宇宙は、星々が生まれてくる高温の塵（ちり）の塊（かたまり）でいっぱいだった。X線で見た宇宙は星々の死骸だらけであった。マイクロ波で見た宇宙はビッグバンの高熱の名残に満たされていた。観測に重力波を用いることによって天文学は新たな地平をきりひらく。 　重力波望遠鏡は重力波をつかまえて観測する新しい手法の望遠鏡である。電磁波ではよく観測できなかった遠方の天体や天文現象をつかまえることができるようになる。ブラックホールはそれが推定されたのちにさまざまな方法で証拠をつかんできた。重力波望遠鏡は新しい形でブラックホールをみる方法となる。 　1916年にアインシュタインによって予言された重力波は、一般相対性理論のなかでもとりわけ奇妙な現象である。重力波はブラックホールの衝突、中性子星の合体、恒星の爆発など、時空を伸び縮みさせるほどの激しい高エネルギー現象によって発生する。 　人は日常では時空の伸び縮みを感じない。時間は一様に流れており風景が伸び縮みしない。カリフォルニア工科大学の「LIGO」のチームを率いるアラン・ワインスタイン氏は、「それでも重力波は、この瞬間にも私たちの体を通り過ぎています。これは確かなことなのです」と述べる。「LIGO」のチームは総勢千名をこえる人員で構成されている。 　重力波が地球を通り抜けているのは確実なのに、それを観測できなかったのは、空間の伸び縮みが極度に小さいためである。その大きさは10の21乗分の1メートルである。それは原子核を構成する陽子の直径のわずか100万分の1だ。 　学術誌『フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）』に発表された「LIGO」チームの原稿を見た米国国立電波天文台のスコット・ランサム氏は「とんでもなくすばらしいデータです」と述べる。「特段の統計的操作もせずに、検出器の生のデータに重力波を見てとることができるなんて、ほとんど誰も期待していなかったと思います」とつづける。 　「LIGO」の科学者たちは、信号は本物だと確信している。見積もりによれば、これだけ本物らしい偽（にせ）の信号は20万年に1度しか入ってこない。「LIGO」は2015年10月12日にもブラックホールの合体により発生したと思われる候補信号を少なくとも1つ検出しているが、それが偽（にせ）の信号ではないという確証はないという。 　米国の「LIGO」の重力波検出装置は１辺が4キロメートルの管をＬ字形に配置されている。直角に交わる部分から2方向にレーザー光を同時に放ち、4キロメートル先の鏡に反射して戻ってきた光を重ね合わせる。重力波が通過すると時空がゆがむために、重ね合わせたレーザー光にずれが生じる。このずれを計測（観察）することによって重力波が検出される。 　重力波がぶつかると二つの物体の間の距離が変化してみえる。それを検出する装置が「LIGO」のなど重力波望遠鏡という設備である。重力波による物体間距離の変化は、直交する二つの方向のうち、片方が伸びたときはもう片方が縮むという変化を繰り返す。その伸縮量は物体間距離が離れているほど大きくなる。 　同じ光を直交する二方向に向けて発射し、遠くに置いた鏡で反射させ、また戻ってきた光の到達時間を両方で比較して長さを測る。伸びた距離を走った光のほうが短い距離を走った方の光より帰ってくるのに時間がかかるため、伸縮の有無が分かる。 　光が走る腕の長さは4キロメートルほどが限界である。これは地球が丸いためその影響がでるからだ。腕の長さは4キロメートルであると一回折り返しでは8キロメートルになる。片腕に二枚の鏡をつけてその間を何度も反射して折り返すと光が70キロメートル走る。 　現在世界で最も感度のよい「LIGO」重力波望遠鏡であっても、数百年に一度の重力波イベントしか捉えることができなかったのが設備の能力を飛躍的に高めてことで重力波の直接検出することができるようになった。観察能力の向上は1年に数回の重力波イベントの観測を実現することに通じる。こうしたことによって重力波天文学の幕が開く。 日本で「KAGRA」（かぐら）計画として進められている神岡鉱山地下の設備による観測の成果が期待される。重力波望遠鏡の「KAGRA」計画では、感度向上のため他の装置にはない二つのことに挑んでいる。 　一つは神岡鉱山内という地面振動が少なく、温度・湿度の安定な環境に設置することだ。神岡鉱山内の振動は地上の100分の1である。重力波検出装置を長時間運転し、観測するための利点になる。20メートルの小規模サイズの設備であってもプロトタイプ検出器（LISM重力波プロトタイプ）では極めて簡素な制御のみで、当時の複雑な制御系を組み込んだどの大型検出器も達成できていないかった１週間以上の連続運転を実現している。 　二つ目は検出器にサファイアという光学素子を使用し、それを世界最低振動の電気冷凍器によってマイナス253℃という絶対0度のマイナス273.15℃に近くまで冷却することで、検出器の感度を制限していた熱雑音を低減している。プロトタイプとして神岡鉱山内にCLIO（Cryogenic Laser Interferometer Observatory）検出器を建設し、低温鏡を利用した検出器の実証実験が行われている。 　岐阜県飛騨市の神岡鉱山はニュートリノ観測施設「スーパーカミオカンデ」で知られるが、同じ神岡鉱山跡地に大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」が完成し、2015年11月に報道陣にプレスリリースがだされ同時に公開された。 　「KAGRA」は地下200メートル以深に掘った片腕3キロメートルのL字型トンネルを利用する巨大なレーザー干渉計で、重力波の到来による2点間の距離の変化を検出する。今年度中に試験観測を開始し、2017年には本格観測を開始する予定だ。「KAGRA」とは「神岡」のKAと重力をイメージする「Gravity」や「Gravitational wave」のGRAを組み合わせてつけられた名称で「かぐら」と読ませる。 大型低温重力波望遠鏡計画が「KAGRA」計画であり、この望遠鏡の構造は地底深くに設置されたレーザー干渉計である。だからレーザー干渉計型重力波検出器という言い方もできる。 　重力波は波動現象だが、人類が道具としてきた電磁波の仲間とは異なる特徴をもっている。重力波は重力を発生する起源である質量が運動することで生じる。質量は物理学では時空の構造を決定する要素である。数学の領域にあった目に見えないな天文現象を観測の領域に導いたのが重力波を使った宇宙の観察である。電磁波を使った観察と異なる天文観測の新領域である。 　計測と計測機器の視点に立って重力波望遠鏡を理解すると、重力波望遠鏡はレーザー干渉計による精密な長さ（距離）測定である。ある距離の間を行き来するレーザー波が重力波が到来すると歪（ゆが）むために、その行き来の時間が変化する。時間の変化は長さ（距離）の変化である。 　米国の「LIGO」（ライゴ）は重力波による空間のゆらぎを反映する動きを2015年9月14日に米国ルイジアナ州とワシントン州に設置された2の設備で検出したのである。その検出装置はレーザー干渉計であった。その観測対象の大きさは原子核を構成する陽子の直径のわずか100万分の1であり、表現を変えると10の21乗分の1メートルである。