「短ガンマ線バースト」と重力波の関係、日本の重力波望遠鏡もまもなく稼働

重力波望遠鏡を使って重力波を観測している、米国と欧州の共同研究グループは2017年10月16日、2つの中性子星からなる連星が合体して放出されたと考えられる重力波を、今年8月に観測することに成功したと発表した。

重力波の観測は今回で5例目となるが、これまではブラックホールの合体によるもので、中性子星同士の合体によって放出された重力波が観測されたのは初めてとなった。

さらにこの重力波源に向けて、世界各国と宇宙空間にある合計70か所以上の天文台が目を向け、追跡観測を実施。そこでもさまざまな大きな成果を残すことに成功した。

重力波は2015年に初めて観測され、つい先日の10月3日には、この功績が2017年のノーベル物理学賞に選ばれたことは記憶に新しい。その興奮冷めやらぬうちに発表された今回の大成果について、6つのポイントに分けて紹介したい(第1回はこちら、第2回はこちら)。

第3回となる今回は、マルチメッセンジャー天文学のもうひとつの大きな成果となった「短ガンマ線バースト」と連星中性子星の合体の関連がわかったかもしれないこと、そして日本の重力波望遠鏡もまもなく稼働をはじめ、さらに宇宙にも望遠鏡が打ち上げられ、宇宙誕生の謎に迫れるかもしれないといった、重力波天文学の将来について見ていきたい。

「短ガンマ線バースト」は連星中性子星の合体が起源だった?

重力波と電磁波を組み合わせた「マルチメッセンジャー観測」では、もうひとつ「短ガンマ線バースト」と呼ばれる現象についても大きな成果がもたらされた。

ガンマ線バーストとは、ある天体から大量のガンマ線が一気に放出される現象のこと。わずか数秒から数時間の間に、明るく輝きながら、太陽の質量にも匹敵するエネルギーを放出するダイナミックな現象で、この宇宙で最大規模の天体現象として知られている。

その研究の発端となったのは1967年、核実験で放出される放射線を観測するための人工衛星が、宇宙からやってくる謎の大量のガンマ線の放出を検出したことに始まる。その後の観測や研究により、私たちの銀河系のさらに外にある別の銀河で毎日のように高い頻度で起きていること、さらに、長い時間ガンマ線を放出する「長ガンマ線バースト」と、短い「短ガンマ線バースト」があることなどがわかってきた。

このうち長ガンマ線バーストは「極超新星」と呼ばれる、超新星と似た、しかしエネルギーがさらに大きな天体現象から発生しているという説がある。

一方、短ガンマ線バーストは、まさに今回観測されたような連星中性子星の合体で起きているのでは、と考えられてきた。連星中性子星が合体したときなど、なんらかのメカニズムで天体中心部からほぼ光速のジェットが放出され、その方向がちょうど地球に向いていたときに、私たちにガンマ線バーストとして見えるのでは、という説である。

そして今回、LIGOとVIRGOが連星中性子星の合体による重力波を検出した約2秒後に、宇宙にある米国航空宇宙局(NASA)のガンマ線天文衛星「フェルミ」と、欧州宇宙機関(ESA)の「インテグラル」が、実際に短ガンマ線バーストを捉えた。また、その到来した方向も、LIGOとVIRGOの観測で導き出された重力波源の方向とほぼ一致しており、連星中性子星の合体と短ガンマ線バーストとの間に関係があるかもしれないという説に、ひとつの証拠が得られた。

もちろん、これで短ガンマ線バーストの起源が判明した、というわけではない。あくまでそう考えても矛盾がない観測結果が得られた、というだけで、本当の意味での謎の解明には、これまでも観測を重ねていく必要がある。たとえば本当に連星中性子星の合体と短ガンマ線バーストの発生とに関連があるなら、今後も同時観測が続き、その発生頻度が一致することになるだろう。

また、新学術領域「重力波物理学・天文学 : 創世記」では、今回観測されたものが、従来から言われていたようなガンマ線バーストだったかどうかについて疑問を投げかけている。

同領域によると、今回の短ガンマ線バーストは、ガンマ線バーストとしては非常に暗い異常なものだったという。今回の連星中性子星合体が起こったのは、地球から約1.3億光年と見積もられているが、この距離はガンマ線バースト発生源までの距離としては桁違いに近いものであり、本来のガンマ線バーストであるならば、史上最高に明るいバーストとして記録されたはずだった。しかし実際に観測された明るさは、距離から考えると、従来考えられていたものよりガンマ線の強さが3桁から5桁ほど小さいという計算になるという。

ガンマ線バーストのジェットの広がりは、一説には、6度ほどの広がり角しかもっていない可能性があるとされる。つまり地球から見たときに明後日の方向に吹き出している場合が確率的に多く、地球の比較的近くで連星中性子星合体が起こり、重力波が観測される場合であっても、ガンマ線バーストが観測されるのはそのうちで100回に1回程度という。

しかし、今回その100回に1回が起きたのかといえば、そのガンマ線の弱さから、従来のようなガンマ線バーストと同じものであるとは考えられないとしている。ただ、ジェットが地球の方向を向いていない場合にも、弱いガンマ線バースト現象が見えるという説もあり、その可能性もないわけではないようである。

同領域では、「今後の研究により、観測されたような弱いバーストの発生機構を明らかにしていくことが当面の課題となります」と結んでいる。

日本の重力波望遠鏡もまもなく稼働、重力波天文学は宇宙誕生の謎を探る挑戦へ

今回の観測では、米国と欧州の重力波望遠鏡が重力波を捉え、日本はその追跡観測で参加したという形にとどまったが、現在日本でも「KAGRA」(かぐら)と名づけられた重力波望遠鏡の建設が進んでおり、2019年から稼働することになっている。

またLIGOやVIRGOも、さらなる能力向上に向けた改良が行われる他、欧州でももう1基、さらにインドでも新しい重力波望遠鏡の建設が進んでいる。これら新世代の重力波望遠鏡が稼働し、協力して観測を行えば、ブラック・ホールや中性子星などの、さらなる謎の解明が期待できる。

さらに欧州や日本を中心に、宇宙に重力波望遠鏡を打ち上げようという計画も進んでいる。欧州の「LISA」という計画は、地上では雑音などの影響で観測が難しい、超巨大ブラック・ホール連星の合体からの重力波の観測が狙えると期待されている。一方、日本の「DECIGO」(デサイゴ)という計画では、超巨大ブラック・ホールだけでなく、宇宙が誕生したときに起きたと考えられている、「インフレーション」と呼ばれる現象で発生した重力波も観測できると期待されている。

いずれも技術的に難しい部分が多いため、実現は2030年代以降になるとされるが、それでも、そう遠くないうちに、この宇宙誕生の謎にまで迫れるかもしれない。

2016年に重力波の観測成功が発表されたとき、また先日のノーベル物理学賞の受賞の際も、重力波を発見したことが目的なのではなく、それを利用して宇宙を観測することが目的であり、終わりではなく始まりなのだ、ということがしきりに語られた。

今回の成果は、重力波を使った天文学がたしかに始まったこと、そして今回のような日に向けて、まだ重力波が直接観測できる前から準備を進めていた科学者たちの正しさを証明するものになったのは間違いない。

これから重力波天文学、そしてマルチメッセンジャー天文学は、私たちにいったいどんな宇宙の姿を見せてくれるのだろうか。

参考

・GW170817 Press Release | LIGO Lab | Caltech
・NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event | NASA
・安東正樹. 重力波とはなにか 「時空のさざなみ」が拓く新たな宇宙論.第2版, 講談社, 2016, 320p.
・ジャンナ・レヴィン (著), 田沢恭子 (翻訳), 松井 信彦 (翻訳). 重力波は歌う――アインシュタイン最後の宿題に挑んだ科学者たち. 早川書房, 2017, 328p.
・Gravitational wave physics and astronomy: Genesis (重力波物理学・天文学：創世記) - 連星中性子星からの重力波検出(10/16)

著者プロフィール

鳥嶋真也(とりしま・しんや)
宇宙開発評論家。宇宙作家クラブ会員。国内外の宇宙開発に関する取材、ニュースや論考の執筆、新聞やテレビ、ラジオでの解説などを行なっている。

著書に『イーロン・マスク』(共著、洋泉社)など。

Webサイトhttp://kosmograd.info/
Twitter: @Kosmograd_Info