Listening to the Universe through Einstein’s Waves Stan Whitcomb Caltech The Universe, unveiled by Gravitational Waves 30 May 2009.

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1 Listening to the Universe through Einstein’s Waves Stan Whitcomb Caltech The Universe, unveiled by Gravitational Waves 30 May 2009

2 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

3 Newton’s Theory of Gravity (1686)

4 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』

5 Newton’s Theory of Gravity (1686)
Equal and opposite forces between pairs of bodies

6 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

7 Newton’s Theory of Gravity (1686)
Extremely successful theory Solved most known problems of astronomy and terrestrial physics eccentric orbits of comets tides and their variations the perturbation of the motion of the moon by gravity of the sun Unified the work of Galileo, Copernicus and Kepler

8 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

9 However, One Unexplained Fact and Two Mysteries
Astronomers observed perihelion of Mercury advances by 43”/century compared to Newton’s theory What causes the mysterious force in Newton’s theory ? How can a body know the instantaneous positions of all the other bodies in the Universe?

10 ニュートンの万有引力はどうして起こるのか?
しかし、説明出来ない事が１つと 不可解な事が２つ残った 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?

11 General Relativity A Radical Idea
AIP Emilio Segrè Visual Archives Overthrew the 19th-century concepts of absolute space and time Spacetime = 3 spatial dimensions + time Perception of space and time is relative

12 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

13 General Relativity A Radical Idea
Gravity is not a force, but a property of space & time Concentrations of mass or energy distort (warp) spacetime Objects follow shortest path through this warped spacetime Explained the precession of Mercury A B

14 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

15 A New Prediction of Einstein’s Theory
The path of light will be “bent” when it passes near a massive object (like the sun) Inversely proportional to angle between sun and star Could only be done during eclipse © Royal Astronomical Society

16 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

17 Confirming Einstein …. Famous British astronomer Sir Arthur Eddington led an expedition to photograph the solar eclipse of 29 May 1919 against Hyades star cluster © Science Museum/Science and Society Picture Library Measured Deflection No Deflection “Newtonian” 0.87” Einstein 1.75” Principe 1.61” ± 0.30” Sobral 1.98” ± 0.12”

18 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

19 Stunning Confirmation for Relativity
Illustrated London News 22 Nov 1919 London Times, 6 November 1919

20 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

21 A New Prediction: Gravitational Waves
Photograph by Yousuf Karsh of Ottawa, courtesy AIP Emilio Segre Visual Archives A New Prediction: Gravitational Waves Ripples in spacetime moving at the speed of light

22 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

23 Discovered and Studied
No Evidence For Gravitational Waves Until 1974 The Russell A. Hulse Discovered and Studied Pulsar System PSR Joseph H.Taylor Jr Source:

24 重力波の痕跡は １９７４年まで無かった 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:

25 · Neutron Binary System PSR 1913 + 16 Similar mass to our sun
but only 20 km in diameter 17 / sec ~ 8 hr Two Neutron Stars in Orbit Separated by 1,000,000 km Prediction from General Relativity Spiral in by 3 mm/orbit Rate of change orbital period

26 · 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

27 Evidence for gravitational waves!
No GWs Nobel Prize Advance of Orbit (seconds) General Relativity Prediction Year

28 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

29 Effect of a Passing Gravitational Wave
Imagine a circle of masses in space Free from all disturbances, except a gravitational wave

30 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

31 Effect of a Passing Gravitational Wave
Gravitational wave traveling into the picture Change in separation (DL) proportional to initial separation (L)

32 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

33 Sources of Gravitational Waves

34 重力波の源

35 Requirements for Strong Gravitational Wave Sources
(Almost) all moving masses produce gravitational waves But! Strong waves require: Large Masses Fast motions (large accelerations)  All measurable gravitational wave sources will be astronomical

36 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

37 Binary Neutron Stars Systems like the Hulse-Taylor Binary Pulsar
Losing energy as they radiate gravitational waves Spiralling together Slowly at first Faster and faster as the two neutron stars move toward each other Finally, crash together and merge

38 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

39 Binary Neutron Stars Gravitational waves tell us the story of the inspiral Slow frequencies at first, then increasing Slowly growing amplitude Masses of each star, orbit, location, distance Final stages last about 1 minute

40 中性子星 連星 重力波で、らせん運動の時、何が起こっているか知る事が出来る 各々の星の質量, 軌道, 場所, 距離 最後の瞬間は 一分ぐらい
中性子星　連星 重力波で、らせん運動の時、何が起こっているか知る事が出来る 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

41 Black Holes Maybe there are binary systems with two black holes instead of neutron stars Formed from very massive binary stars? Evidence of such systems Would be very strong sources of gravitational waves No way to observe black holes except through gravitational waves

42 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
非常に重い星からなる連星? その様な系の証拠 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

43 Gravitational waves probe to the very edge of the black hole
Black Hole Collisions Black holes are one of the simplest objects in the universe yet one of the most enigmatic Completely described by three numbers Mass Spin Charge Gravitational waves probe to the very edge of the black hole

44 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

45 Supernova: One of the Most Energetic Events in our Universe
Massive star (>~7 times the mass of our sun) ‘burns’ all its hydrogen Grows to become a Red Giant as its ‘burns’ its remaining fuel Core collapses to form neutron star Collapsing material bounces and blows off outer regions of star As bright as an entire galaxy for a few days 100,000,000,000 stars One supernova

46 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

47 Gravitational Waves from a Supernova?
Visible supernova is spectacular, but it tells us little about what is causing the explosion Rapid motion Core collapses is very rapid (much less than 1 second) Massive star Meets all the criteria for strong gravitational waves Simulation: Ott 2006, Ott et al. 2007 Visualization: R. Kaehler, Zuse Institute/AEI

48 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

49 Spinning Neutron Stars (Pulsars)
Neutron stars are the remnants of many supernovas Typically 1.4 times as massive as the sun, but only 20 km in diameter Rapidly rotating with huge magnetic field (1 billion times stronger than any field on earth) Produce very regular pulses of radio energy Small “mountain” (~3 mm) or other imperfection would cause pure sinusoidal tone of gravitational waves

50 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位のでっぱりか似た様なでこぼこがあれば、 綺麗な正弦波的な重力波を放出する。

51 ‘Murmurs’ from the Big Bang signals from the early universe
Cosmic microwave background

52 ビッグバンの名残の‘雑音’ 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 １０万年 １秒 Cosmic
microwave background １０万年 １秒 宇宙マイクロ波 背景放射

53 ‘Murmurs’ from the Big Bang More from Professor Sato
signals from the early universe More from Professor Sato

54 ビッグバンの名残の‘雑音’ 宇宙の初期のシグナル 佐藤教授のお話に続く

55 Detecting Gravitational Waves

56 重力波の検出

57 Effect of a Passing Gravitational Wave
Most important quantities to describe the wave: Strength (DL/L) Frequency

58 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

59 Detecting a Gravitational Wave with Light
Michelson Interferometer I have greatly exaggerated the effect!! Strength (DL/L) of a strong wave is about 10-21 For L = 1 km, => DL = m

60 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

61 How Small is 10-18 Meter? One meter Human hair ~ 100 microns
Wavelength of light ~ 1 micron Atomic diameter m Nuclear diameter m GW detector m

62 10-18 メートルとはどの位短い? １ メートル 髪の毛~ 100 ミクロン 光の波長~ 1 ミクロン 原子の大きさ 10-10 m
１　メートル 髪の毛~ 100 ミクロン 光の波長~ 1 ミクロン 原子の大きさ　10-10 m 原子核の大きさ　10-15 m 重力波検出器　10-18 m

63 A Global Network of Gravitational Wave Interferometers
GEO Virgo LIGO TAMA/LCGT Detection confidence Locate sources AIGO

64 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

65 Looking to the Future The existence of gravitational waves is beyond any reasonable doubt Their detection is one of the most challenging tasks ever undertaken by scientists They promise to give us new insights into the world of astronomy There will be surprises!

66 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!