アインシュタインの重力波で聴く 宇宙の調べ スタン ウイットコム 山本博章 カリフォルニア工科大学 重力波で探る宇宙 平成２１年５月３０日

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1 アインシュタインの重力波で聴く 宇宙の調べ スタン ウイットコム 山本博章 カリフォルニア工科大学 重力波で探る宇宙 平成２１年５月３０日
アインシュタインの重力波で聴く 宇宙の調べ スタン　ウイットコム 山本博章 カリフォルニア工科大学 重力波で探る宇宙 平成２１年５月３０日

2 ニュートンの 万有引力の法則 (1686) 『自然哲学の数学的諸原理』

3 ニュートンの 万有引力の法則 (1686) ２つの物質が 同じ力で引き合う

4 地上及び天体の当時の問題をほとんど説明した
ニュートンの 万有引力の法則 (1686) 非常に成功した理論 地上及び天体の当時の問題をほとんど説明した 彗星の離心軌道 潮の干満 月の軌道の太陽の重力による摂動 ガリレオ、コペルニクス、ケプラーの仕事の集大成

5 ニュートンの万有引力はどうして起こるのか?
しかし、計算が合わ無い事が１つと 説明出来ない事が２つあった 観測された水星の近日点移動が ニュートンの理論の計算値より ４３秒早かった ニュートンの万有引力はどうして起こるのか? なぜ、重力が瞬間的に伝わるのか?

6 一般相対性理論 革命的な発想 １９世紀の、時間と空間が別々で絶対的だ、 という考えを捨て去る 時空 = 空間三次元 ＋ 時間
AIP Emilio Segrè Visual Archives １９世紀の、時間と空間が別々で絶対的だ、 という考えを捨て去る 時空 = 空間三次元　＋　時間 時間と空間の概念は相対的

7 一般相対性理論 革命的な発想 重力は力ではなく、時空の性質 質量、即ちエネルギーが局在すると時空が歪む
物質は、この歪んだ時空の最短距離を取る様に運動する 水星の近日点移動を説明 A B

8 アインシュタイン理論の 新しい予言 光は、太陽の様な重い物体の側を通ると曲げられる 太陽と星の間の角度に逆比例 日食の時にのみ、観測出来る
本当の星の位置 光は、太陽の様な重い物体の側を通ると曲げられる 地球 見かけ上の星の位置 地球 太陽 太陽と星の間の角度に逆比例 日食の時にのみ、観測出来る © Royal Astronomical Society

9 アインシュタインの予言の確証…. イギリスの著名な天文学者、アーサー・エディントン卿は、１９１９年５月２９日の皆既日食の時、ヒヤデス星団を撮影する為に遠征した © Science Museum/Science and Society Picture Library 観測された 偏差 偏差が無い場合 ニュートンの予測 0.87秒 アインシュタイン 1.75秒 プリンシペ島 1.61 ± 0.30秒 ソブラル 1.98 ± 0.12秒

10 Illustrated London News 22 Nov 1919
相対性理論の 素晴らしい検証 Illustrated London News 22 Nov 1919 科学の革命 宇宙の新理論 ニュートンの考えが覆される London Times, 6 November 1919 ロンドンタイムズ　１９１９年１１月６日

11 新しい予言： 重力波 光の速度で伝わる 時空のさざ波 オタワのユーサフ・カーシュ撮影
提供　AIP Emilio Segre Visual Archives 新しい予言： 重力波 光の速度で伝わる 時空のさざ波

12 重力波の痕跡は １９７４年まで 見つからなかった ラッセル A. ハルス 二重パルサー PSR 1913 + 16 を発見し研究
The ラッセル　A.　ハルス 二重パルサー PSR を発見し研究 ジョゼフ　H.テイラー　Jr Source:

13 · 中性子星 連星 PSR 1913 + 16 我々の太陽と同じ位の重さだが 直径がたったの２０キロメートル
中性子星　連星 PSR 我々の太陽と同じ位の重さだが 直径がたったの２０キロメートル 17 / sec ~ 8 hr ２つの中性子星が軌道上を運動している 100万 km離れている 一般相対論の予測 一周あたり３ｍｍ落ち込む 軌道周期の変化率

14 Advance of Orbit (seconds)
重力波の証拠! No GWs ノーベル賞 軌道周期の変化の観測値と一般相対論による計算値の比較 Advance of Orbit (seconds) 軌道周期の変化（秒） General Relativity Prediction 一般相対論の予測 Year 年

15 重力波が通り過ぎる時、 何がおきるか 空間の円周上に物質があるとする 何の力も受けず、重力波の影響だけ受けるとする

16 重力波が通り過ぎる時、 何がおきるか 重力波がこの面内に入って行くとする 物体間の 距離の変化（ｄL)は 最初の距離（L) に比例する

17 重力波の源

18 強い重力波を出す為の条件 ほとんどどんな物でも、運動する物は重力波を出す しかし!
強い重力波を出すためには: 大きな質量 速い運動(大きな加速度)  観測可能な重力波の源は宇宙の規模

19 中性子星 連星 ハルス、テイラーの連星パルサーの様な系 エネルギーを重力波の放出で失う 互いにらせん状に運動し落ち込む 最初はゆっくり
中性子星　連星 ハルス、テイラーの連星パルサーの様な系 エネルギーを重力波の放出で失う 互いにらせん状に運動し落ち込む 最初はゆっくり ２つの中性子星間の 距離が縮まるにつれ、 早くなる 最後に衝突して合体する

20 中性子星 連星 重力波で、らせん状に引かれ合って落ち込んでいく時、何が起こっているか調べる事が出来る 各々の星の質量, 軌道, 場所, 距離
中性子星　連星 重力波で、らせん状に引かれ合って落ち込んでいく時、何が起こっているか調べる事が出来る 最初ゆっくりした周期で、それが早くなってゆく ゆっくりと振幅が大きくなる 各々の星の質量, 軌道, 場所, 距離 最後の瞬間は 一分ぐらい

21 ブラックホール 中性子星の代わりに、ブラックホールが対になっている連星もあるだろう 非常に強い重力波源
非常に重い星から出来た連星? その様な系の確証はまだ無い 非常に強い重力波源 重力波が、ブラックホール を探る唯一の手立て

22 ブラックホールの衝突 ブラックホールはこの宇宙の中で 非常に単純な構造を持った物の１つだが、 同時に最も謎に満ちた物でもある
完全に次の３つの数で表される 質量 スピン(回転数） 電荷 重力波は、 ブラックホールの ぎりぎりの所まで 探る事が出来る。 螺旋運動 合体 収束

23 超新星: 我々の宇宙で起こる、 もっともエネルギッシュな出来事の１つ
太陽の７倍以上の質量を持つ星が、その全ての水素を燃やし尽くす 残りの燃料を燃やし尽くす過程で赤色巨星となる 芯が潰れて中性子星となる 潰れていく過程で、星の外の方が弾き出される ２〜３日、銀河系全体と同じ位の明るさを持つ １０００億の星と１個の超新星

24 超新星からの重力波? 超新星からの光の眺めは素晴らしいが、 それだけではその原因はあまり分からない 超高速運動 重い星
核の崩壊は非常に急激(一秒よりはるかに短い) 重い星 強い重力波を 出す為の条件を 全て備えている Simulation: Ott 2006, Ott et al. 2007 Visualization: R. Kaehler, Zuse Institute/AEI

25 回転する中性子星(パルサー) 中性子星は超新星のなれの果て 太陽の約１．４倍の重さだが、直径はたったの２０ｋｍ
磁場の強さは、地上の一番強い磁場の１０億倍であり、 高速で回転している ラジオの波長の非常に周期的な電磁波を出す ３ｍｍ位のでっぱりがあれば、 綺麗な正弦波的な重力波を放出する。

26 ビッグバンの ‘ささやき’ 宇宙の初期のシグナル 重力波 ニュートリノ 今の地球 光 １００億年 Cosmic
特異点 １００億年 Cosmic microwave background １０万年 １秒 宇宙マイクロ波 背景放射

27 ビッグバンの ‘ささやき’ 宇宙の初期のシグナル 佐藤教授のお話に続く

28 重力波の検出

29 重力波が通り過ぎる時、 何がおきるか 重力波を記述する 一番大切な量: 強度(DL/L) 周期

30 光を使った重力波の検出 マイケルソン 干渉計 極端に効果を誇張しています!! 非常に強い波の強度(DL/L) は約 10-21
L = 1 km, => DL = m

31 10-18 メートルとはどの位短い? １ メートル 1 / １万 髪の毛~ 100 ミクロン 1 / 100 光の波長~ 1 ミクロン
１　メートル 1 / １万 髪の毛~ 100 ミクロン 1 / 100 光の波長~ 1 ミクロン 1 / 1万 原子の大きさ　10-10 m 1 / 10万 原子核の大きさ　10-15 m 1 / 1000 重力波検出器　10-18 m

32 重力波検出器の 全世界ネットワーク GEO Virgo LIGO TAMA/LCGT 確かな信号取得 信号源の場所の特定 AIGO

33 未来への課題 重力波の存在は疑う余地は無い その検出は、今まで科学者が取り組んできた中でも、最もやりがいのある物の１つである
重力波は我々に新しい宇宙を見せてくれる 思っても見なかった様な物が隠されているだろう!