どのようにして重力波が見つかったのか

アインシュタインが100年前に予言した「重力波」が、ついに発見された。重力波とは何なのか、どのようにして見つかったのか、そして重力波で宇宙を見る「重力波天文学」への期待について、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の村山斉機構長にうかがった。

第2回では「重力波はどのようにして見つかったのか」についてお聞きする。

(第1回はこちら)

重力波の発見は運が良かった?

--そしてついに昨年9月、米国の重力波望遠鏡「Advanced LIGO」[*1]が、2つのブラックホールが合体した際に生じた重力波を捉えることに成功しました。LIGOが改良されて「Advanced LIGO」になったことで見つかったわけですが、やはり発見できた理由はこの改良をしたことが大きかったのでしょうか?

村山: 本当のところはまだわからないのです。と言うのも、Advanced LIGOの設計をするときに、ブラックホールの合体というのはたぶん見えるだろう、とは思われていましたが、どれくらいの頻度で起こるかはよくわかっていなかったんです。

設計時は、ブラックホールになり切れなかった別の重い星、「中性子星」をターゲットとしていました。この中性子星同士が合体する際に生まれた重力波は捉えられるのだと思われていました。また、宇宙に中性子星がどれくらいあるかというのはある程度わかっているので、年に数回は捉えられるだろうとも言われていました。

でもブラックホールは見えないので、どれだけの数があるのかもわかりませんし、どれだけの数が連星になっているかもわかっていませんでした。今もわかっていません。

ですから、ある意味で今度の発見はすごく運が良くて、スイッチを入れた瞬間に見つかったというもので、めったに起きないものがたまたま起きて、今回運良く検出できた可能性はあります。

もちろん、がんばって性能を上げたというものありますが、それだけでなく、運が良かったのも間違いないでしょう。

--LIGOの検出感度が上がったという話でしたが、具体的にどのようにして上げたのでしょうか?

村山:LIGOなどの重力波望遠鏡は、レーザー干渉計というものを使って重力波を捉えます。これはレーザー光線を行ったり来たりさせると、その距離が重力波のせいで伸び縮みするので、それを検出するというものなのですが、まずそのレーザー光の強度を20倍ぐらいに強くしました。

こうした装置にとって一番まずいのは、振動です。まわりで少しでも地面を揺らす出来事があると、装置に影響が出てしまいます。とくに、ルイジアナ州に置かれたレーザー干渉計で苦労したのは、数十km先で木を切っているとか、他にも車が通ったとか、誰かが歩いたとか、そうしたことがすべて雑音になってしまうということです。

そのため、まわりが揺れていても、装置の中を行ったり来たりしているレーザー光線や、それを反射させる鏡には影響が出ないようにしました。この「振動から隔離する」というのが肝でした。

それまでLIGOを運用した中で、どういうところがうまくいかないかということは学んでいますから、きちんと設計をやり直して、作り直したわけです。

他にも、信号をどうやって読み出すかとか、細かい改良を積み重ねて、これで当初の計画通りLIGOの10倍まで感度が上げられるはずだという目処が立ち、現在はとりあえず3倍まで実現しました。

LIGOはまず5年間運用されましたが、そこでの知見を踏まえて新しい装置をつくりましょうとなり、Advanced LIGOができました。そのAdvanced LIGOができてすぐに重力波が検出できたというのがびっくりでした。それだけ、初代LIGOの5年間で学んだことがあったのでしょうね。

--検出したあと、今回の発表まで、検証作業はどういうことが行われたのでしょうか？

村山:まず、今回の場合は装置を動かし始めてすぐに検出されましたから、そのときの装置が本当に正常だったかというのを調べます。そのあとも装置は動かしていますから、その状態と様子を比べて、違いがないかどうか、そうした安定性を調べなくてはなりません。

また、LIGOは遠く離れて置いた2つの望遠鏡から構成されていて、今回はその両方で信号が検出されました。その2つでそれぞれ検出された信号のつじつまが合っているかどうかも調べます。距離が離れていますから、若干、重力波が届くのに時間差ができます。装置の向きもわざと45度変えてあるので信号に違いが生じるはずで、それが期待通りのものだったのかを調べました。その信号ずれを計算に入れて重ね合わせてみるとほぼ一致したわけです。

逆に、完全に一致していたら科学者は信じません。雑音は必ずあるはずなので、もしぴったり合ってしまえば、それは人工的すぎる。もしかしたら誰かが偽の信号を入れたんじゃないかと疑うわけですね。むしろ、少々ずれているほうが自然ですから、そうしたところを定量化して、このくらい合っていて、このくらいずれている、ということを評価します。

そうしたいろんなことを組み合わせて、どうやらこれは本当らしい、と納得がいくまでには時間がかかります。

私は、今回の検出から発表までの5カ月というのは早いほうだと思います。

--LIGOチームの発表が早かった理由には、他の重力波望遠鏡に先を越されたくないという焦りやプレッシャーがあったのでしょうか?

村山:「重力波が見つかったようだ」という噂が流れてしまっていましたから、プレッシャーはあったでしょうね。でも、これは間違いなさそうだ、という確信は、おそらくかなり早い段階からあったと思います。それだけ波形がはっきりしていますしね。

ただ、やはり先ほど述べたような手順を踏まないと、科学的に発表できるほどの内容になりませんので、チェックはやらなきゃいけないわけですね。

今回、期待していたより大きな信号がたまたま来てくれたおかげで、これだけはっきり見えています。確信を持ちやすい、わかりやすい信号が来てくれたというのが、発表が早かった理由のひとつでもあると思います。

--発見から5カ月が経っていますが、この間、2つ目、3つ目の重力波というのは発見されていないのでしょうか。

村山: 発見されているんじゃないかという噂はあります。あくまで噂ですが、根拠のひとつは、LIGOチームが光学望遠鏡の使用を予約していることです。

実は昨年9月に重力波が発見された際、彼らはチリにある欧州南天観測所の光学望遠鏡の使用権をすぐに予約して、重力波が来たと考えられる方向を観測しています。何か写るのではと思ったのでしょうね。

そして、実は昨年12月にも2回予約しています。ですので、また何か信号を捉えて、検証作業をやっているのでは、と思われます。ただ、公式には何も発表されていません。検証の結果、重力波の信号ではなかったという可能性もありますので。

--今回の発表に対しては、ライバルでもあるはずの日本の研究者の方も大変喜んでおられました。やはり人類共通の謎が発見されたということで、国などは関係なく、自分のことのように嬉しく思われるものなのでしょうか。

村山: 研究者というのはそんなに人間ができているわけではないです。みんな自分が勝ちたいと思って、いつも競争しています。

けれども、今回の重力波に関して言うと、重力波を「見る」ということよりも、「使う」ということのほうが意味が重いんです。みんな重力波があるのは間違いないと思っていて、あとはそれを見つけることが技術的に可能なのかという問題がずっとありました。それさえ克服すれば、そこから重力波を使った新しい観測ができるようになって、想像もしていなかったような発見があるに違いないと思っていたわけですね。

技術的に難しいことはわかっていますから、本当に可能なのかと心配しながら見ていました。今回、とりあえず見つかったことで、ホッと胸をなでおろしたという気持ちが強いですね。

観測できることはわかったので、これから日本のKAGRA[*2]や欧州のVIRGO[*3]も、がんばって装置を完成させれば、自分たちにも検出はできる。そして、できたあとで何を見つかるかが勝負だ、という気持ちが強いと思います。

確かに、重力波を見つけるという点ではLIGOチームが先を越しましたが、これからLIGOに加えて、VIRGOやKAGRAが同時に観測を行う時期がやってきます。

たとえば何か新しい信号が見つかるとき、そうした信号はノイズの中に埋もれているわけですから、見つけることができるかどうかは解析の技量によるわけです。だから、他のグループが同じ信号を見ていても拾い上げることができず、自分たちのグループが最初に発見するということは十分ありえるわけです。

また、あるグループが「こういう信号があったぞ」と発表したときに、他のグループが自分たちのデータを見直して、「気がつかなかったけれど、確かに自分たちの望遠鏡も捉えていたよ」ということになるわけですね。そしてすべてのグループのデータを総合してみると、三角測量ができるので、どこの銀河から来た重力波かがわかるわけです。

今回の「重力波の発見」そのものがノーベル賞を受賞するかはわかりませんが、これからこそ、ノーベル賞に値するような大発見がある可能性が十分にあります。

【脚注】

*1: 「LIGO」(ライゴ)……米国のカリフォルニア工科大学とマサチューセッツ工科大学が共同で設立した重力波望遠鏡。ルイジアナ州リヴィングストンと、ワシントン州ハンフォードに1台ずつの観測装置を設置し、観測を行っている。初代LIGOは2002年から2010年まで運用され、重力波は検出できなかったものの設備の運用に関する多くの知見を獲得。それを活かして改良が行われ、2015年9月に「Advanced LIGO」が完成。運用を開始した直後、まだ試験運転を行っている最中に、今回の大発見が行われた。

*2: 「KAGRA」(かぐら)……岐阜県飛騨市神岡町にある神岡鉱山跡で建設が進められている日本の重力波望遠鏡。東京大学宇宙線研究所を中心としたチームによって運用される。2015年10月に第一期実験施設が完成し、2015年度中に重力波の試験観測を行うことが計画されている。また、第二期実験施設が完成する2017年度には、重力波の本格観測を開始することが計画されている。

*3: 「VIRGO」(ヴィルゴ、ヴァーゴ)、イタリアのピサに建設された重力波望遠鏡。イタリア、フランス、オランダが共同で観測を実施する。LIGOと同様、また共同で、同時期に観測を行ったものの重力波の検出はできず、現在は検出感度を上げた「Advanced VIRGO」の建設が進んでいる。今回のAdvanced LIGOによる重力波の発見には、VIRGOの研究者チームも大きく貢献している。

【参考】

・重力波とは? « KAGRA 大型低温重力波望遠鏡
　http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/plan/aboutu-gw
・Physics - Focus: A Fleeting Detection of Gravitational Waves
　http://physics.aps.org/story/v16/st19
・LIGO Scientific Collaboration News
　http://labcit.ligo.caltech.edu/LIGO_web/0312news/0312one.html#Article_1
・Advanced LIGO
　https://www.advancedligo.mit.edu/
・Virgo – website
　http://www.ego-gw.it/virgodescription/pag_4.html

(次回は3月18日に掲載予定です)