重力波とは？
重力波は、アインシュタインの一般相対性理論によってその存在が予言された、潮汐的な時空のひずみが光速で伝わる横波である。重力波は、加速度運動をする質量から放射される。また、重力波がやってくると時空がひずみ、物体間の距離が変化する。
レーザー干渉計による重力波検出
現在最も有力な重力波の検出方法は、レーザー干渉計を用いたものである。重力波によって引き起こされる吊り下げられた鏡の間の距離変化を、マイケルソン・レーザー干渉計を用いて測定する。マイケルソン干渉計は、垂直な2本のアーム長の差動成分に感度があり、空間の潮汐的ひずみを引き起こす重力波の検出に適している。さらに、レーザー干渉計型重力波検出器の最大の利点は、アーム長を長くするほど感度を向上させられる点にある。
世界の重力波検出器
キロメートルクラスの大型レーザー干渉計型重力波検出器は、アメリカ（LIGO）、ヨーロッパ（Virgo）、日本（KAGRA）で建設されており、インド（LIGO-India）でも建設中である。LIGOはアーム長4 kmで、ワシントン州とルイジアナ州に1台ずつ設置されている。Virgoはイタリアのピサ近郊にあり、アーム長は3 kmである。KAGRAはアーム長3 kmで、地面振動の小さい神岡の地下に建設されており、熱雑音を抑えるために低温鏡が使用されている。
重力波の初検出と重力波天文学の幕開け
2015年9月、アメリカのAdvanced LIGOによって初めて重力波が検出された。これは、地球から13億光年離れた場所で起こった、太陽の30倍程度の質量を持つブラックホール連星の合体によるものであった。これにより、重力波天文学が幕を開け、その後もいくつかのブラックホール連星合体等による重力波が検出された。
マルチメッセンジャー天文学の幕開け
2017年8月には、中性子星連星の合体による重力波が初めて検出された。それとほぼ同時にガンマ線バーストが観測され、さらに残光がX線、可視光～赤外線、電波などの幅広い波長域で観測された。これにより、宇宙を電磁波や重力波を用いて多角的に観測する「マルチメッセンジャー天文学」が一気に花開いた。
重力波天文学の発展
重力波源としては、ブラックホールや中性子星の連星合体のほか、超新星爆発、パルサー、初期宇宙などが考えられる。天体現象から発生する重力波は、その現象特有の情報を持っており、重力波観測によって貴重な情報を得ることができる。今後、重力波によって電磁波や宇宙線では観測できなかった天体現象が明らかになり、新たな宇宙の姿が見えてくることが期待される。
初期宇宙からの重力波
宇宙が誕生して10-35秒後頃には、「インフレーション」と呼ばれる爆発的な膨張が起こったと考えられている。この時代に時空の量子揺らぎから原始重力波が発生したと予想されている。もしこの重力波を観測できれば、インフレーションが本当にあったのか、そしてどのように起こったのかが明らかになり、宇宙誕生の謎を解き明かす手がかりとなる。なお、電磁波では宇宙誕生後38万年以前を直接観測することはできない。
宇宙重力波望遠鏡 DECIGO
将来的には、レーザー干渉計型重力波検出器を宇宙空間に設置し、さらに感度を高めることで、重力波天文学をより一層発展させることが計画されている。特に、日本の将来計画である宇宙重力波望遠鏡「DECIGO」では、インフレーションによる原始重力波を直接観測し、宇宙誕生の謎を解明することが主目的とされている。
地上における新しい重力波検出方法の開発
地上においても、全く新しい重力波検出方法を開発することで、検出器の感度を飛躍的に向上させる可能性がある。この分野はまだ発展途上だが、将来的には地上でも原始重力波を観測できるかもしれない。
夢は宇宙の産声を聞くこと
このような背景のもと、私の夢はインフレーションによる原始重力波を検出し、「宇宙の産声を聞く」ことである。そのために、DECIGOの設計感度を高め、より確実にインフレーションによる重力波を検出できるようにする。また、地上における全く新しい重力波検出方法の開発にも挑戦している。
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