ノーベル物理学賞「重力波」初観測 米の研究者3人に

 ことしのノーベル物理学賞に、巨大な観測施設「LIGO(ライゴ)」を建設して、宇宙空間にできた「ゆがみ」が波となって伝わる現象、いわゆる「重力波」を初めて観測することに成功したアメリカの研究者3人が選ばれた。

 スウェーデンのストックホルムにある選考委員会は、日本時間の10月3日午後7時前、ことしのノーベル物理学賞の受賞者を発表し、いずれもアメリカの、マサチューセッツ工科大学のレイナー・ワイス名誉教授、カリフォルニア工科大学のバリー・バリッシュ名誉教授、それに同じくカリフォルニア工科大学のキップ・ソーン名誉教授の3人を選んだと発表した。授賞理由は「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」である。

 「重力波」は、ブラックホールが合体するなど、質量を持った物体が動いたときに時間と空間の「ゆがみ」が波となって伝わる現象で、およそ100年前にアインシュタインが存在を予測しましたが、「ゆがみ」が極めて小さいことから直接観測は果たせず、これまで世界中の研究者たちがしのぎを削ってきた。


Weiss_Barish_Thorne


 ワイス名誉教授らは、「重力波」を観測するため長さ4キロメートルのL字型に交差する2本のパイプにレーザー光線を走らせて、それぞれの光線が往復する時間のわずかな変化を測ることで重力波をとらえる方法を提案し、アメリカのワシントン州とルイジアナ州の2か所に巨大な観測施設「LIGO」を建設して観測に挑んだ。

 そして、2015年9月、重力波の観測に世界で初めて成功すると、その3か月後には2回目、さらにことし1月には3回目の観測に成功し、世界を驚かせた。また、2017年8月にも、ヨーロッパの観測施設「VIRGO(バーゴ)」とともに4回目の観測に成功したことが、先月下旬、発表された。

 重力波は、これまで電磁波などでは観測することが難しかった天体現象をとらえる全く新しい手段として天文学の発展につながり、今後、さまざまな宇宙の謎の解明が進むものと期待されている。

 ノーベル賞の選考委員会は授賞理由について「2つのブラックホールが衝突したことで生じた重力波の存在は、今からおよそ100年前にアインシュタインが予言していたが、アインシュタインも観測することはできないと考えていた。その重力波を13億年の時を経て、アメリカのLIGOがおととし初めて観測した。全く新しく、これまで見たことのない世界を切りひらくものだ」と評価している。

 ノーベル物理学賞に選ばれた3人のうち、マサチューセッツ工科大学のレイナー・ワイス名誉教授は、レーザー光線を使った重力波の観測手法を提案した。また、カリフォルニア工科大学のキップ・ソーン名誉教授は、重力波の理論の確立に貢献した。

 そして、カリフォルニア工科大学のバリー・バリッシュ名誉教授は、世界で初めて重力波の観測に成功したアメリカの観測施設「LIGO」の初期の運営を率いて研究機関や国の枠を超えた国際的なプロジェクトとして発展させた。

 3人は「LIGO」の建設と運営で中心的な役割を果たし、世界における重力波研究の基礎を確立したことで知られている。


 LIGOによる、重力波観測

 「重力波」は、アインシュタインが「一般相対性理論」に基づいて今から100年ほど前にその存在を予言した。

 「一般相対性理論」では、すべての質量のある物体は周りの空間をゆがめ、そこを流れる時間の速さも変わるとされている。「重力波」は、そうした物体が動いた際に時間と空間のゆがみが波となって光の速さで伝わる現象で、水面にボールを落とすと周囲に波が伝わっていく様子にたとえられる。

 こうした重力波を捉えようとアメリカの観測施設「LIGO」に加え、ことし8月からはヨーロッパでも「VIRGO」という施設が稼働していて、先月には、4回目の重力波の観測に同時に成功したと発表された。

 4回の重力波は、いずれも太陽の数倍から数十倍という重さの2つのブラックホールが宇宙空間で合体した際に生じたゆがみを捉えたもの。

 ブラックホールはすさまじい重力によって光さえも抜け出すことができない天体である。これまで直接観測されたことはなく、その合体についても推測されてはいたものの、わずか2年ほどの間に4回も確認されたことでダイナミックに動く新たな宇宙の姿が捉えられたと驚きが広がった。

 「LIGO」は、アメリカ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中心となって建設した観測施設で、実験には世界15か国の1000人以上の科学者が参加している。

 長さ4キロメートルの2本の長大なパイプをL字型に組み合わせ、そのパイプの中を真空に保っている施設で、アメリカの西部ワシントン州と南部ルイジアナ州の2か所に同じ観測装置がある。

 2つの施設では、パイプの中でレーザー光線を照射していて、それぞれの光線が往復する時間にわずかな変化があると、それが重力波による変化である可能性が高いとされ、同じ変化を2か所の施設で同時に観測して互いに検証することで重力波かどうかを判定できるという。

 LIGOでの重力波の観測は2002年から始まったが、2010年までの8年間、一度も重力波を観測できず、いったん運用を終えている。

 その後、観測の能力を10倍に上げるための改修工事がおよそ5年かけて行われ、「アドバンストLIGO」、より高度になったLIGOとして、おととし9月から再び観測を始めていた。

 重力波の観測施設はほかにもあり、ヨーロッパの研究機関がイタリアに建設し2007年から運用を始めた「VIRGO」のほか、日本の岐阜県飛騨市には「KAGRA(かぐら)」という施設がある。


 日本でもKAGRAで、重力波観測 梶田さん「非常にうれしい」

 日本でも、重力波の観測施設の建設が急ピッチで進んでいる。東京大学宇宙線研究所が岐阜県飛騨市に建設している「KAGRA」は、去年2月、初めての試験運転が行われ、来年度中の本格稼働を目指して観測機器の設置などが進められている。

 重力波は、光を出さないために観測することができなかったブラックホールなどの天体や、宇宙空間の現象を知る重要な手段になると期待されている。

 アメリカの「LIGO」に続いてことし8月には、ヨーロッパの「VIRGO」も重力波の観測を始めていて、今後、「KAGRA」が加われば、遠く離れた宇宙のどの場所から重力波が来たのか、またどのような現象によって重力波が起きたのか詳しく知るための世界的な観測態勢が整うことになる。

 おととしノーベル物理学賞を受賞し、日本で重力波を観測しようと岐阜県に巨大な観測施設の「KAGRA」を建設している東京大学宇宙線研究所の梶田隆章所長は「私も発表を見て非常に興奮しうれしく思います。今回のノーベル賞は非常に大切な分野で私たちもKAGRAという施設で発展させていきたい。今回の発表は私たちにとっても力を与えてくれるものです」と話していた。


世界で4例目の重力波観測 ブラックホール合体、18億光年先

 重力波というと2017年8月には、4例目の重力波の観測に成功したばかりだった。しかも、米国2カ所とイタリアでほぼ同時に検出された。

これが、今回のノーベル物理学賞に選ばれる決め手となった。

 イタリア・ピサ近くにある観測装置「Virgo(バーゴ)」での検出は初めて。世界で計3カ所で観測できたため、発生場所は南半球で見えるとけい(時計)座付近、約18億光年先と突き止められた。

 バーゴと米国の観測装置「LIGO(ライゴ)」の研究チームが28日までに発表した。アインシュタインが約100年前に予言した重力波は2015年9月、米ワシントン州とルイジアナ州にあるライゴの観測装置で初めて検出。同12月と今年1月にも検出され、今回で4例目となった。

 検出は8月14日。太陽質量の31倍と25倍のブラックホールが合体し、53倍の大きなブラックホールとなった。差し引き太陽質量3倍分のエネルギーが重力波として放出された。

 日本も岐阜県飛騨市にある「KAGRA(かぐら)」で重力波観測を目指しており、観測装置が増えれば発生現象がより詳しく解明される見込み。今後の日本での観測も楽しみである。


 授賞理由「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」

 2017年のノーベル物理学賞は、超大型レーザー干渉計「LIGO」を構築し、宇宙から来る重力波の初の観測に成功した米マサチューセッツ工科大学(MIT)のワイス(Rainer Weiss)博士、カリフォルニア工科大学のソーン(Kip S. Thorne)博士、バリッシュ(Barry C. Barish)博士の3氏に授与されることになった。

 人類は長きにわたって、星々が放つ光を観測してきまた。ガリレオは望遠鏡で惑星を見て地動説を見いだし、近年では宇宙の最深部から来るマイクロ波やブラックホールが出すX線を観測する探査機が活躍して宇宙の進化を探っている。これらはすべて波長が異なる電磁波で、いわば光の仲間。だが星々にはもう1つの重要な要素がある。質量だ。

 時空の中に質量の大きな星を置くと、まるでゴムの膜の上にボールを落としたように、周囲の時空が歪む。そのため近くを通った星はコースが曲がって、重い星の周りを回るようになる。質量の大きな星が激しく動けば時空の歪みも揺れ動き、それが周囲に波のように伝わっていく。これを重力波と呼ぶ。重力波は、質量を持つ星の動きを教えてくれる宇宙の調べなのだ。

 重力波は1915年にアインシュタイン(Albert Einsten)が打ち立てた一般相対性理論から予言された。アインシュタイン自身もその存在には懐疑的だったが、次第に存在すると考える人が増えてきた。1970年代に公転周期が次第に短くなる連星パルサーが観測され、重力波の間接証拠となった。連星が重力波を発してエネルギーを失っていると考えると、うまく説明がついたためである。

 その後、世界中で重力波の直接検出を目指した研究が動き出した。重力波は極めて小さな信号で、観測には桁外れの検出精度が必要。ワイス博士とソーン博士は、70年代から具体的な検討を始めました。ワイス博士は空間の微小な伸び縮みを検出する装置を設計し、ソーン博士はどんな宇宙現象に伴う重力波がどのくらいの大きさで検出できるかを計算した。プロトタイプの試作で手応えを得た2人は、故ドレーヴァー(Ronald Drever)博士とともに、1984年にLIGO計画を立ち上げた。

 当初はMITとカリフォルニア工科大を中心とする計画だたが、1994年にバリッシュ博士がリーダーとなり、大規模な国際共同プロジェクトに育てた。

 2015年9月14日、LIGOはそれまでより精度を上げて再稼働したわずか2日後に、重力波を捉えた。13億年前に宇宙の彼方で起きたブラックホールの連星が合体したときに生じた重力波が13億年かけて地球に届き、それを検出したのだ。

 LIGOは巨大な干渉計。90度の角度で作った長さ4kmのトンネルの中でレーザーの光を何百回も往復させた後、光の波を重ねて干渉させる。重力波によって空間がわずかに伸び縮みすると、干渉によって生じる信号が変化する。2015年に検出した重力波では、空間が最大で10−21だけ伸び縮みした。こう言われてもピンときませんが、これは先にカッシーニ探査機が旅した地球から土星までの距離(約15億km)が、わずか1nm、アミノ酸1個とかフラーレン1個分だけ伸び縮みしたことに相当する。LIGOはその極微の変化を捉えたのだ。

 LIGOの観測成功は2016年2月に発表され、世界的なニュースになった。その後も3度にわたって重力波を検出し、8月には欧州に建設された干渉計VIRGOもLIGOと同時に重力波を捉えた。今後は世界のあちこちで重力波が定常的に観測されるようになるだろう。人類は、電磁波に加えて重力波という新しい宇宙観測の手段を得た。重力波は星々がどのように動いているかを理解する手がかりとなり、地上とは桁違いの強い重力が働く場で一般相対性理論を検証する手段にもなるとみられる。

 日本でも重力波観測装置「KAGRA」の建設が進んでいる。チームを率いる東京大学宇宙線研究所の梶田隆章所長は「今回の授賞は、私たちにも力を与えてくれるものだ。この大切な分野の研究を、これからKAGRAで発展させていきたい」と話している。現在、検出感度を上げるための作業を進めており、来春から試験観測を再開する予定だ。(日経サイエンス 2017.10.3)


 レイナー・ワイス

 レイナー・ワイス(Rainer Weiss:1932年9月29日-)は、天文物理学と重力物理学に貢献したアメリカ人物理学者である。マサチューセッツ工科大学(MIT)の名誉教授である。レーザー干渉計重力波観測所LIGOの基礎運用技術であるレーザー干渉計技術の草分けとして良く知られている。また、宇宙背景放射探査機査機 COBE科学作業グループ長である 。

 2017年、キップ・ソーン、バリー・バリッシュと共に、『 LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献 』が認められノーベル物理学賞を受賞した。

 1932年9月29日、ヴァイマル共和政ドイツのベルリンで、Gertrude Loesner と Frederick A. Weissの子供として生まれた。彼の母親は、キリスト教徒で女優であった。父親は、物理学者・神経学者・精神分析者であったが、ドイツ共産党の活動家でユダヤ人であったため、ナチスドイツに強制退去させられた。

 家族はチェコのプラハに移り住んだが、ドイツのチェコ侵攻によって再び逃亡することとなり、アメリカのセントルイスにいるユダヤ人名士で慈善家のステックス家の手引きでビザを取得し、アメリカに渡った。

 ワイスはニューヨーク市で若者時代を過ごし、そこでコロンビアグラマースクールに通った。MITで勉強し、第3学年で学校を辞めた後、再び戻り1955年に学士(SB)を受け取り、1962年にJerrold ZachariasからPhDを取得した。

 ワイスは1960-62年にタフツ大学で教鞭をとり、1962-64年にはプリンストン大学で博士研究員を務め、1964年にはMITの教員となった。

 ワイスは、宇宙のバックグラウンド放射の特徴測定と、干渉計による重力波観測という2つの基礎物理学の研究を生み出し、それらの発展に貢献した。宇宙マイクロ波背景放射スペクトラム測定の草分けで、NASAの宇宙背景放射探査機査機 COBE の科学アドバイザー兼 共同設立者となった。

 また、干渉計による重力波観測も考案し、アメリカ国立科学財団のレーザー干渉計重力波観測所 LIGO の共同設立者となった。


 キップ・ステファン・ソーン

 キップ・ステファン・ソーン(Kip Stephen Thorne、1940年6月1日 - )はアメリカ合衆国の理論物理学者。ジョン・ホイーラーの弟子で重力の理論や、相対論的宇宙論の分野に貢献した。

 重力理論、ブラックホール、宇宙論の歴史と理論を解説した一般向けの著書『ブラックホールと時空の歪み アインシュタインのとんでもない遺産』(原題:Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy)によって有名になった。2017年ノーベル物理学賞受賞。

 ユタ州のローガンに、両親とも大学教授の家に生まれた。カリフォルニア工科大学で学んだあと、プリンストン大学で博士号を得た。1967年からカリフォルニア工科大学の助教授、1970年に理論物理学の教授、1991年からファインマン教授職を務めている。

 スティーヴン・ホーキングらとの学問上の賭けのエピソードが知られ「裸の特異点は存在するか」という賭けでホーキングに勝ち、ペントハウス1年分を受け取ったことをナショナルジオグラフィックチャンネルで語っている。「ブラックホールに落ちた物質が保持していた情報は永久に失われるか」という賭けでは失われるほうに賭けたソーンとホーキングはジョン・プレスキルに敗れて百科事典を送った。


 バリー・クラーク・バリッシュ

 バリー・クラーク・バリッシュ(Barry Clark Barish、1936年1月27日 - )は、アメリカ合衆国の実験物理学者。カリフォルニア工科大学名誉教授「Linde Professor of Physics」。重力波研究の第一人者である。

 2017年、キップ・ソーン、レイナー・ワイスと共に、『LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献』が認められノーベル物理学賞を受賞した。

 ネブラスカ州オマハで、母親リー(Lee)と父親ハロルド(Harold Barish)の子として生まれた。彼の両親の家族は、現在のベラルーシにあたるポーランドからのユダヤ人移民である。彼はカリフォルニア南部で育ち、ロサンゼルスの高校に通った。カリフォルニア大学バークレー校で物理学学士(1957年)と実験的高エネルギー物理学のPh.D(1962年)を取得した。

 1963年、国立研究所でフロンティア粒子加速器を使用した粒子物理学の新しい実験の一環としてCaltechに参加した。

 1980年代、磁気単極子と呼ばれるエキゾチック粒子と貫通してくる宇宙線の研究を行うイタリアの洞窟に有ったグランサッソ国立研究所のen:Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatoryを監督した。

 1990年代初頭には、超伝導超大型加速器のGEM (Gammas, Electrons, Muons) 検出器計画の最前線で広報担当をしていた。

 1991年、Caltechで Maxine and Ronald Linde Professor of Physic に任命された。

 1994年、レーザー干渉計重力波観測所 LIGOの主任研究員となり、1997年にはディレクターとなった。

 2001年から2002年まで、アメリカのための長期計画を建てた高エネルギー物理学諮問委員会のサブ委員会の共同議長を務めた。2005から2013年まで、超高エネルギー電子・陽電子の衝突実験用粒子加速装置計画 「国際リニアコライダー」設計のための組織 Global Design Effortのディレクターを務めた。


参考 日経サイエンス: http://www.nikkei-science.com/?p=54658


重力波で見える宇宙のはじまり 「時空のゆがみ」から宇宙進化を探る (ブルーバックス)
クリエーター情報なし
講談社
重力波・ブラックホール―一般相対論のいま (別冊日経サイエンス 215)
クリエーター情報なし
日本経済新聞出版社

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