初めて観測されたモンスター重力波

 (nature.com)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-06-30 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • これまでよりはるかに大規模な**「モンスター」重力波**が初めて捉えられたという Nature の記事で、重力波観測が再び注目されるきっかけとなっている
  • 公開されている短い本文は "Gravitational waves are back, and they’re bigger than ever" と表現しており、規模の変化を核心として打ち出している
  • この項目は Nature 619, 13-14ページに掲載され、DOI は 10.1038/d41586-023-02167-7 である
  • 参考文献には2023年に発表された Agazie、Antoniadis、Reardon、Xu らの重力波関連研究が含まれる
  • 提供されたテキストだけでは、観測方法、使用機器、分析データ、科学的解釈までは確認しにくい

タイトルと公開文から確認できる内容

  • タイトルは "Monster gravitational waves spotted for first time" で、モンスター重力波の初観測を前面に出している
  • 公開されている実質的な本文は "Gravitational waves are back, and they’re bigger than ever" の一文で、重力波が再び注目されており、以前よりさらに大規模である点を強調している

文献情報と確認可能な範囲

  • この項目は Nature 619, 13-14ページに収録され、DOI は 10.1038/d41586-023-02167-7 である
  • 参考文献には次の2023年の研究が含まれる
    • Agazie ほか, Astrophys. J. 951, L8
    • Antoniadis ほか, arXiv preprint 2306.16214
    • Reardon ほか, Astrophys. J. 951, L6
    • Xu ほか, Res. Astron. Astrophys. 23, 075024
  • 提供されたテキストには観測方式、検出機器、信号特性、科学的解釈に関する具体的な情報はない

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-06-30
Hacker Newsの意見

  • 現代物理学と工学は、良い意味で少し途方もなく見える。LIGOも絶対に動作しないと思っていたし、検出結果が出たときも、自分の尾を追いかけているだけではないかと思ったが、今では複数施設での検出や、中性子星合体の光観測との相関などによって、データが本物だという証拠はほぼ固まっている
    次にLISAの話を聞いた。基本概念は似ているが、それを宇宙に作り、探査機が編隊を保ちながら250万kmの距離で互いにレーザーを撃ち合うというのだから、正気とは思えない計画に見えた。ところが概念実証のPathfinderは動作したようで、今では実際に作っており、2037年予定だとしても驚きだ
    数年前にSpacetimeの動画でこのプロジェクトを見たときも、ノイズが多すぎて無理だと思ったが、今では成功したのかもしれないという雰囲気になっている。物理学者が可能だと言うなら、どれほど不可能に見えても耳を傾けるようになった

    • この発見は実際にはLIGOや他の印象的な物理工学装置によるものではなく、中性子星を観測し、予想外の摂動からパターンを見つけたものだ
      中性子星の回転は原子時計の補正に使われるほど一定だが[0]、一部が予想と異なるグリッチを示し、そのグリッチ同士に一貫性があった。実はグリッチではなく、巨大な重力波が時空を歪めていたのだ
      [0] https://gizmodo.com/scientists-use-spinning-neutron-stars-to...
    • こうした装置は作るのに長い時間がかかる。私の物理学教授だったDavid Blairは、1980年ごろにLIGOや他の検出器の設計をスケッチし、そこに到達するにはまずどの技術を作る必要があるかも整理していた
      大きな資金と大規模建設は今では概ね米国に集中しているが、帝国の中心は長い時間をかけて移り変わるものだし、アイデアは世界中から出てくる
      https://www.uwa.edu.au/Profile/David-Blair
    • LISAがぶっ飛んでいると感じるなら、このSpacetime動画を見るべきだ: https://www.youtube.com/watch?v=4d0EGIt1SPc
      これはさらに気が遠くなるレベルだ
    • 重力理論を検証するための材料、測定、宇宙機工学上の難題についてもっと知りたいなら、Gravity Probe Bを見るとよい[1]。40年以上にわたる取り組みで、結論から言えば、一般相対性理論の測地効果とフレームドラッギング効果を確認した
      [1] https://einstein.stanford.edu/TECH/technology1.html

  • こうした波が私たちを通り抜けるとき、どんな見え方になるのか気になる。音響のように粒子が圧縮・膨張し、分子が地球の質量中心からごくわずかに外れた「下」方向へ一時的に再整列するようなものなのだろうか？
    それに、こうした波は非常に緩やかなサイン波だと考えてよいのかも気になる。逆に振幅の大きい重力の矩形波のようなものもあり得るのだろうか？ それが通過する物体には何が起きるのだろう？

    • 基本的にはその理解で合っている。重力波には進行方向、たとえば z 軸があり、それに垂直な x-y 平面上で粒子が円形の輪を作っているなら、ある瞬間には x 方向に押し縮められ、y 方向に引き伸ばされる。
      波が通過して山から谷へ移ると、方向が逆になり、x 方向は伸び、y 方向は押し縮められる。ここで伸び縮みとは、地球が作るはるかに大きな背景重力場の加速度に上乗せされる、瞬間的な正負の加速度という意味。
      可視化はこちらにある: https://www.researchgate.net/publication/313828462/figure/fi...
      子どもがブランコの共振周波数に合わせて脚を動かすとサイン波の振幅を大きくできるように、非常に弱い重力波でも輪の共振周波数と合えばリング振動子を増幅できる。
      正確な矩形重力波は、電磁波と同じく不可能。角の部分で無限のエネルギーが必要になるため。原理的には近似できるかもしれないが、時空は途方もなく硬く、知られている実際の発生源は非常になめらかな波を作るようだ。最も激しい事象も既存のブラックホール同士の合体であり、鋭い衝突というより、なめらかならせん状の接近から生じる場合がほとんど。
      LIGO 検出器に見える「チャープ」信号はこのようなもの: https://www.youtube.com/watch?v=TWqhUANNFXw
      矩形波の効果は予想どおり、振動子をなめらかに増幅するというより、電磁波の場合のように鋭く一度蹴るようなものになるはず。
    • LIGO と類似の実験を調べてみることを勧める。これらはレーザー干渉計を使って、2点間の距離を極めて高精度に測定する。LIGO のウェブサイトの説明によれば、重力波は空間そのものを一方向に伸ばし、同時に垂直方向に圧縮する。
      LIGO ではこのため、干渉計の一方の腕が長くなり、もう一方の腕が短くなったあと、波が通過している間に逆へ切り替わることが繰り返される。この運動の専門用語は「Differential Arm」運動、つまり腕が反対方向に同時に長さを変える差動変位。
      腕の長さが変わると、各レーザービームが進む距離も変わる。短い腕のビームは長い腕のビームより先にビームスプリッターへ戻り、波が通過している間、それぞれの腕は短い腕と長い腕の間を行き来する。ビームスプリッターで再び合わさると、光波はもはやきれいには一致せず位相がずれ、波が通過している間、整列と不整列の間を行き来する。
      https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-interferometer
      https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO
    • 少し違う「下」を見るというより、空間そのものが変化して、頭と足の間のような距離がごくわずかに変わる、というほうが近い。
    • ここで「見える」という表現はあまり適切ではない。根本的には時空全体が伸びて波打つので、実際に目に見える何かではない。
    • 私たちが検出する重力波は横波。縦波の重力波は提案されては退けられ、また提案されたりもしてきたが、現在の理論上の位置づけがどうなっているのかはよく分からない。

  • もっと易しい概説が欲しければ、この報道を見るとよい:
    In a major discovery, scientists say space-time churns like a choppy sea
    https://www.washingtonpost.com/science/2023/06/28/gravitatio...
    アーカイブ版: https://archive.is/AmRvg

    • その WaPo 記事も昨日 HN で取り上げられていた[0]。ただしコメントの大半は、報道の質がひどいという話だった。
      [0] https://news.ycombinator.com/item?id=36514521
    • 重力領域間の時空ポテンシャル差を利用して、空間の大きな部分を「飛び越え」られたらどうだろう、と想像している。非常に精密な重力地図が必要になるだろうが、莫大な重力ポテンシャルのブーストも得られるはず。

  • 5歳児に説明するようにお願いします。すべての物体は重力定数のために同じ速度で落ちると習いました。
    こういう波があるなら、物体がごくわずかに互いに違う速度で落ちるという意味なのでしょうか？ 波の大きさに応じて反対向きの引っ張りが生じ、定数が少しずれる、というように？
    それと話題から少し外れますが関連して、すべての物体が質量に応じた重力を持つなら、大きな物体は地球に引っ張られることに加えて自分自身も地球を引っ張るので、小さな物体よりごくわずかに速く落ちるのでしょうか？

    • 重力波は時空を曲げます。そのため、2点間の距離がごくわずかに長くなったり短くなったりします。
    • いいえ、重力波は等価原理に影響せず、重力定数も変えません。重力波は時空幾何の変化が伝播するものであり、自由落下する物体は相対運動の変化によってその時空幾何の変化を示します。
    • どちらの質問も、速度をどう定義するかに依存します。通常は位置の1階微分、または距離を時間間隔で割ったものとして理解されますが、距離と時間間隔をどう定義し測定するのか、どの基準系を使うのかが必要です。
      また、真空中では物体が同じ速度で落ちるという言い方は、よくある誤解です。普通は、ある物体の質量が両辺の式で約分されるという論理や、物体を2つに割っても半分ずつがより遅く落ちるわけではないという論理が使われます。
      答えると、すべての物体の大きさ、基準物体（通常は地球）までの距離、質量が同じで、すべて静止状態から相対速度なしで始まるなら、重い物体と軽い物体は同じ加速度を受けます。しかし重い物体のほうが先に衝突します。これを「より速く落ちた」と言えるでしょうか？

  • 下のコメントが親切に教えてくれたとおり、現在のモデルではこの質問の答えは「いいえ」のようです: https://www.youtube.com/watch?v=QMFLcmsjOBg
    私の専門分野外ではありますが、宇宙船を空間の中で押し出す代わりに、宇宙船の周囲の時空を曲げて超光速移動を達成できるという理論があるのではないでしょうか？
    完全な推測であることを強調したいのですが、こうした重力波が、水上を進む船が後ろに波紋を残すように、超光速移動の後に生じた「さざ波」である可能性はないのでしょうか？

    • PBS Spacetime がまさにこのテーマで最近エピソードを出しています: https://www.youtube.com/watch?v=QMFLcmsjOBg
      動画では、時空を曲げる方式の超光速モデルはこのようなさざ波を作らないと言っています。ただし、本当に巨大な宇宙船が非常に高速で加速すれば、そのさざ波は検出できるはずです。
    • 最初の発見は恒星質量ブラックホール2つの衝突・合体から来た波を捉えたものでしたが、今回の発見の最も有力な発生源は、遠方銀河の中心でゆっくり互いの周りを回るはるかに大きなブラックホールのペア、つまり太陽質量の数百万倍から数十億倍のブラックホール群が作る合算信号だと見られます。
      これらの波は2015年に発見されたものより何千倍も強く長く、波長は数十光年に達することがあります。一方、2015年以降に干渉計で検出されたさざ波の長さは数十〜数百km程度です。
      おそらく、それがどこから来ているのかはかなり分かっているようです。船の比喩で言えば、巨大な自然のうねりは観測できるが、海を横切る船の航跡には気づけない、という状況に近いでしょう。
    • そういう理論はあります。しかし機能させるには、不可能なものの長いリストが必要です。
      一般相対性理論の中には、ある物体が時空のポケットの中にあり、周囲の時空が曲がっていて、大まかに言えば物体が動くのではなく空間が動く、という有効な解が存在します。
      しかし、そのような時空配置を作るには、不可能であるか、存在が知られていないか、宇宙の全エネルギーのようなものを要求する条件が必要です。
      また、通常の空間からその特殊な時空配置へ遷移する、既知の有効な解もありません。したがって存在するには、常にそのように存在していなければならなかったことになります。
      結論として、実際に可能ではないだろうとかなり確信していますが、もし可能ならどこを見ればよく、どんな問題を解くべきかは分かっている、ということです。時には、その不可能リストから一部を取り除く論文が出ることもあります。
      「可能性は低いが、いつかはもしかすると」という類のものです。
    • 関係するエネルギーは想像を超える規模です。津波に遭って、原因が遊覧船だったのかと気にするようなものです。ただし、銀河スケールで。
    • Futuramaにもそういうエピソードがありました。「もうエンジンがどう動くのか分かりました。夢で思いついたんです。エンジンは船をまったく動かしません。船はそのままで、エンジンが宇宙を船の周囲で動かすんです」――Cubert Farnsworth
      https://futurama.fandom.com/wiki/Dark_Matter_Engine
      https://www.youtube.com/watch?v=1RtMMupdOC4

  • この研究の要点は理解できます。パルサーは一定の周波数で電波を放射するので、私たちの周囲の球面上にあるパルサーから受け取った電波を監視すれば、周波数の相関した異常値を測定でき、伝送媒体の形を実質的に変えた巨大な重力波が原因だと推論できます。
    しかしこれは重力波そのものを測定しているのではなく、その波に「乗って」来る電波信号の軌跡の変化を測定しているのです。海の比喩で言えば、私たちの周囲に一定間隔で全方向に漂うダーツを撃つ砲台があり、そのダーツがこちらに到達する時間を測って経路上の波の大きさを推論しているようなものです。波そのものを見るのではなく、ダーツだけを見ているのです。
    そこで気になるのは、本当に大きな1つの波と同じ効果に合成される多数の小さな波を、どうやって区別するのかということです。つまり、ある波形が電波信号の速度ベクトルを変えたことは分かるとしても、同じ信号変化を作りうる波の配列が複数あるなら、どうやって正しい配列を選ぶのでしょうか？

    • 単一のパルサーのタイミングだけでは、重力波を検出するには信頼性が十分ではありません。そのため各共同研究チームは、数十個のパルサー配列を監視しています。
      その結果、Hellings–Downs曲線という特徴を探しました。これは、あらゆる方向から重力波が来るとき、空での角距離ごとにパルサーのペアの相関関係がどう変わるかを予測するものです。
      質問への答えになっているかは分かりませんが、可能なすべての効果の結果をシミュレーションしたうえで、データとどれが相関するかを見る方式だと理解しています。したがって、同一の効果を生む複数の原因があるなら、区別するのは難しそうです。

  • Quanta Magazineの記事も参考になります: https://www.quantamagazine.org/an-enormous-gravity-hum-moves...

  • 優れた非専門家向けの説明:
    https://www.reddit.com/r/space/comments/14lpjnx/scientists_h...

  • こうした「怪物」重力波は、パルサータイミングの差を計算して「捉えた」ものだという。記事には期待したほど情報がなかったが、これらの波の中に LIGO で検出または確認されたものはあったのだろうか？

    • 波長がLIGOには大きすぎる。波の測定は、複数のパルサーから集めたデータとの相関を取ったもの
      https://arstechnica.com/science/2023/06/nanograv-picks-up-si...
    • 私の理解では、LIGOはそのような波を検出するには小さすぎるため、パルサータイミングを使うのだと思う
    • 他の人も言っているように、LIGOは重力波の波長に比べて小さすぎる。さらに、仮にLIGOが極端に長かったとしても、地上の検出器ではそのような低周波数で、地震ノイズ、制御システムノイズ、重力勾配ノイズといった 技術的ノイズ が非常に大きい

  • ばかな質問かもしれないが、理論的に 重力波でサーフィン することはできるのだろうか？ 地球上ではもちろん無理だろうが、連星ブラックホールの近くのような場所なら可能かもしれないと思う。重力が時空を曲げるというゴムシート式のイメージモデルで考えると、サーフィンできそうに見える

    • 残念ながら、少なくとも私の知る限りでは不可能。根本的な問題は、重力波が水の波のように体を押してくれるのではなく、ただ体を通り抜けるだけだということ
      より詳しい説明は https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/36113/woul... にある