重力波

ぴんと張ったゴムシートの上にボウリングの球を2つ置いて、お互いのまわりをぐるぐる回すところを想像してみてください。シートの表面が大きく揺れて、丸い波が外側へ広がっていくはずです。

宇宙の空間も、このゴムシートによく似ています。アインシュタインは、質量をもつ物体が時空をゆがめると説明しました。ブラックホールのようにとてつもなく重い天体が2つ、互いのまわりを高速で回ったり衝突したりすると、時空そのものが揺れる波が生まれ、宇宙全体へ広がっていきます。これが重力波です。

この波は、物質のあいだを押しのけて進むのではなく、物質が置かれている空間そのものを伸ばしたり縮めたりしながら通り過ぎます。そのため、物体どうしの距離は、ある方向には伸び、それと垂直な方向には縮む、という変化をくり返します。

これまでに検出された重力波は、数千万〜数十億光年も離れた遠い宇宙から旅をして地球に届いたものです。地球に着くころにはその強さはあまりにも弱くなっていて、4kmもある観測装置の腕の長さでさえ、陽子の直径の約1000分の1ほどしか変わらないほど、ごくわずかなものになります。

科学者たちはこれを測るために、「LIGO（ライゴ）」という巨大な観測装置をつくりました。細長い「L」字型の真空トンネルの両端へ同時にレーザー光を送り、鏡で反射して戻ってきた光の波を重ね合わせて比べるという仕組みです。

重力波が地球を通過すると、片方のトンネルの長さはごくわずかに伸び、もう片方は縮みます。科学者たちはこの差を精密に測定して原子よりもはるかに小さい空間の揺れをとらえ、2015年、人類史上初めて、ブラックホールの衝突で生じた重力波を直接検出することに成功しました。

もう少し正確にいうと、重力波の発見によって、人類が宇宙を探る方法は大きく変わりました。これまで私たちは、望遠鏡を通して可視光や電波、X線といった電磁波、つまり「光」に主に頼って宇宙を観測してきました。

しかし光には、濃い星間ちりやガスの雲にぶつかると、さえぎられたり散らばったりしてしまう弱点があります。一方、重力波は物質とごくわずかにしか相互作用しないため、ほとんど吸収されたり散乱されたりせずに宇宙空間を通り抜け、宇宙の奥深くの情報を比較的そのまま届けてくれます。

光でさえ抜け出せないブラックホールの合体の様子も、重力波ならのぞくことができます。宇宙誕生の初期にできた重力波はまだ検出されていませんが、見つかれば当時の様子を教えてくれると期待されています。そのため天文学者たちは、重力波の検出を、人類が宇宙を見る「目」に加えて宇宙の息づかいを聞く「新しい耳」を手に入れた歴史的な飛躍だと呼んでいます。