最近、欧州宇宙機関 (ESA) は、宇宙で重力波を測定する初の実験プロジェクトを正式に承認しました。 レーザー干渉宇宙アンテナ (LISA) と呼ばれるこのプロジェクトは、宇宙空間内 250 万キロメートルにわたるレーザービームの伝播の正確なタイミングを分析することにより、超大質量ブラックホールの合体などの宇宙事象によって引き起こされる時空の巨大な波紋を検出します。太陽系。
欧州宇宙機関は1月25日、数十億ユーロ規模のミッションの建設が2025年に開始され、2035年の打ち上げが予定されていると発表した。 「このミッションは非常に革新的であり、LISAだけが検出できる重力波の発生源に関する窓を開くことになるでしょう」とLISA共同研究のメンバーであるドイツのマックス・プランク天体物理学研究所の天体物理学者ヴァレリヤ・コロル氏は語った。チーム。
地上の検出器と比較して、LISA がユニークなのは、より低い周波数で重力波を検出できることです。つまり、相互に軌道を周回するブラック ホールなど、はるかに広い範囲で、はるかに大きくて遠い宇宙現象に光を当てることができます。 2015 年に地上のレーザー干渉重力波観測所 (LIGO) によって最初に検出されたものよりも長い距離です。
ドイツのハノーバーにあるマックス・プランク重力物理学研究所の所長であり、31年前に最初にLISAの提案書を書いたLISAコンソーシアムの代表であるカルステン・ダンツマン氏は、LISAプロジェクトの構想には長い時間がかかったと回想する。 この実験の目的は、数百万キロメートル離れた質量の 2 点間をレーザーが移動する距離 (1 兆分の 1 メートルの単位で最も近い) を測定することによって重力波を検出することです。その精度は、時空そのもの以外に事実上、地球の動きに影響を与えることができないほどです。カルステン・ダンツマン氏は、「最初はこのアイデアはばかばかしいと思われたが、我慢するように言いました」と述べ、このプロジェクトが実現することに自信を持っている。
LISA ミッション ゴールデン トライアングル:宇宙での重力波検出
LISA プログラムは、均一に構成された 3 機の宇宙船で構成され、正三角形の構成で太陽の周りを周回します (図 1)。 各宇宙船の内部には、金とプラチナでできた長さ 4.6 cm の浮遊立方体があります。 レーザーを使用してこれらの立方体間の相対距離を正確に測定することにより、LISA は重力波によって引き起こされる微妙な空間的および時間的変化を非常に高い精度で (ピコメートルのオーダー、または 10 億分の 1 ミリメートルのオーダーで) 検出することができます。 このような変化は、巨大な物体の加速運動によって引き起こされます。 これらの精密な測定により、LISA は重力波の発生源を正確に特定することができます。この装置は、ヴァレリヤ・コロル氏が「SF に出てくる装置」と表現しています。
図1 LISAミッション探査機の概念図。 3 つの衛星は太陽の周りの軌道上で三角形を形成します。
カルステン・ダンツマン氏は、このような距離で高精度の測定を行うことには課題があるにもかかわらず、宇宙環境は地上よりもそのような実験にはるかに適していると指摘しています。 宇宙には振動、大気の擾乱、その他の振動がないため、実験にはほぼ完璧な真空が得られます。 ただし、技術が複雑であるため、機器は打ち上げ後に現場で簡単に修理することができないため、非常に信頼性が高いことが求められます。
LISA プロジェクトは、300000 キロメートルから 30 億キロメートルまでの波長の重力波を検出するように設計されており、この範囲は地上のレーザー干渉重力波観測所 (LIGO) と地球の検出能力の間のギャップを埋めるものです。パルサー タイミング アレイ。 LIGO と比較してより長い波長で、パルサー タイミング アレイと比較して比較的短い波長で重力波を検出できます。 現在、パルサー タイミング アレイは、いくつかの星を「ビーコン」として使用して、銀河全体で重力波を観測および研究する研究を実施しています。ビーコンは、科学者がより長い波長の重力波を検出するのに役立つ周期的な信号を発します。
LISA と重力波検出に関する世界的協力の展望
カルステン・ダンツマン氏は、電波望遠鏡や可視光装置と同じように、さまざまな実験がそれぞれ独自の現象を観察し、補完的なデータを提供すると指摘しています。 その巨大なサイズのおかげで、LISA は超大質量ブラックホールの合体からの重力波や、LIGO によって検出された衝突段階の初期に放出された信号を検出できるようになります。LISA はまた、これまでに見たことのない宇宙の出来事を明らかにすることも期待されています。ブラックホールのサイズを超えた白色矮星の衝突や、質量が等しくない連星ブラックホールの合体など。
ヴァレリヤ・コロル氏によると、天文学者らはこの実験により、理論で予測されている宇宙初期に生成された重力波の背景ノイズが検出され、初期のブラックホールが発する信号を捕捉できる可能性があると期待しているという。LISAは、科学者が宇宙のブラックホールの速度がどのように変化するかをより正確に理解するのに役立つと期待されている宇宙の膨張は、宇宙が検出する重力波の発生源までの距離を測定することによって変化しました。
中国はまた、2030年代に独自の宇宙重力波検出器を打ち上げることを計画しており、これは宇宙重力波検出「太極計画」および「天琴計画」と呼ばれている。 中国の宇宙重力波検出プログラムは、LISA プロジェクトの開発によって支援されており、その実現の可能性が高まっています。 「天琴計画」は中国計画として知られており、ヨーロッパのLISA計画とは異なり、その目標は、3機の全同期衛星を高さ100メートルの地心軌道に配備し、2035年頃に宇宙ベースの重力波観測所を建設することである。重力波の空間検出を行うために、一辺の長さが約170000キロメートルの正三角形星座「天琴」を構成し、約100000キロメートルに配置されています。 「太極計画」は基本的に欧州のLISA計画と同じで、地球から約5000万キロ離れた太陽中心軌道に、全く同じ衛星3機を打ち上げ、太陽を中心とする三星形成軌道を周回する設計となっている。干渉アームのアーム長、つまり衛星間隔 300 万キロメートル。 天秦、LISA、太極の3つの計画、前者は地心軌道プログラム、後の2つは太陽中心軌道プログラムで、同じコア技術が必要で、それぞれに異なる技術的困難もありますが、宇宙重力波検出は補完的です。 ESA による LISA プログラムの承認は、科学界における重要なマイルストーンです。
