宇宙に存在するものについて、我々はどれほど本当に知っているだろうか。
極端な例を挙げてみよう。もし宇宙人がSFショーでよく見るようなワープ・ドライブ技術を使って我々の銀河を飛び回っているとしたら、彼らの宇宙船からの信号はどのようなものに見えるだろうか。意外かもしれないが、我々の研究は、そのようなものが本当に存在するかどうかにかかわらず、この問いに答える手段を持っていることを示している。
光を使って宇宙を探査する望遠鏡は、現在、観測可能な範囲のほぼ端まで見ることができる。我々が探査してきた新しい周波数帯域 – ガンマ線やX線から赤外線、電波まで – はそれぞれ、新しく予想外のことを教えてくれた。
2015年、新しい種類の望遠鏡、LIGOと呼ばれる検出器が稼働を開始した。これは光波ではなく、空間と時間の目に見えない「波紋」である重力波を探すものだ。ここでも自然は我々を驚かせ、GW150914と名付けられた信号を送ってきた。これは太陽の約30倍の質量を持つ一対のブラックホールが、14億光年離れた場所で激しく衝突する様子を捉えたものだった。
それ以来、重力波は宇宙を探索する学者たちにとって不可欠な新しいツールとなった。しかし、我々はまだ探索の始まりにすぎない。データの中にどのような信号が見られるのか、そしてそれらは宇宙の物理学に対する我々の見方を変えるのだろうか。
しかし、しばしば見過ごされがちな、より実践的な問いがある – もし何かが存在するとして、我々はそれをどのように認識するのだろうか。
SFから真剣な科学へ
スター・トレックのようなシリーズでワープ・ドライブを見たことがあるかもしれない。ワープ・ドライブは、宇宙船の前方の空間を圧縮し、後方の空間を拡張する仮説的な技術形態だ。光速より速く移動することはできないが、ワープ・ドライブでは距離を短くすることで巧みに対処できる。つまり、AからBへ移動する時間は、圧縮されていない別の経路を光が通過する時間よりも短くなる。
SFから実際の科学へのジャンプは、理論物理学者のMiguel Alcubierreが1994年に行った。彼はEinsteinの一般相対性理論の方程式を使ってワープ・ドライブをモデル化することにインスピレーションを得たのだ。
一般相対性理論は、時空の曲率（重力）と物質またはエネルギーの分布（物）との関係である。通常、我々は「物」を知ることから始める。例えば、惑星や星を表す物質の塊があることを知っている。そして、その物を方程式に入れて時空がどのように曲がるかを決定する。そして、その曲がり方が、物体の周りで測定される重力を示すのだ。
これはまさにIsaac Newtonの重力の描像が行っていることだ – 物体の質量と、その物体が及ぼす重力の力との関係を与えているのだと言えるかもしれない。そしてそれは正しい。しかし、時空の曲率という概念は、単なる力よりもはるかに豊かな現象の範囲を生み出す。それは我々の宇宙を膨張させる一種の反発重力を可能にし、巨大な物体の周りに時間の遅れを作り出し、時空に重力波を生み出す – そして少なくとも理論上は、ワープ・ドライブを可能にするのだ。
Alcubierreは通常とは逆の方向から問題に取り組んだ。彼は欲しい時空の曲率がどのようなものかを知っていた。それは、物体が歪んだ時空の領域の上を滑走できるようなものだった。そこで彼は、このような曲率を作り出すために必要な物質の配置を逆算して求めた。それは方程式の自然な解ではなく、むしろ「特注品」だった。しかし、それは彼が注文したものとは正確には一致しなかった。彼は空間を正しく歪ませるために、負のエネルギー密度を持つエキゾチックな物質が必要だということを発見したのだ。
エキゾチックな物質の解は、物理学者から一般的に懐疑的に見られており、それは当然のことだ。数学的には負のエネルギーを持つ物質を記述することができるが、我々が知っているほぼすべてのものは正のエネルギーを持っているように見える。しかし量子物理学では、エネルギーの正の性質の小さな一時的な違反が起こりうることが観察されており、したがって「負のエネルギーなし」は絶対的、根本的な法則ではありえない。
ワープ・ドライブから波へ
Alcubierreのワープ・ドライブ時空モデルが与えられれば、我々は最初の問いに答え始めることができる – それからの信号はどのように見えるだろうか。
現代の重力波観測の礎石の一つであり、その最大の成果の一つは、「数値相対論」と呼ばれるツールを使用して、物理的なシナリオから波形を正確に予測する能力である。
このツールが重要な理由は2つある。第一に、検出器から得られるデータはまだ非常にノイズが多いため、データストリームから信号を抽出するためには、信号がどのように見えるかをおおよそ知っている必要があることが多い。第二に、たとえ信号がノイズより大きくて目立つものであっても、それを解釈するためにはモデルが必要である。つまり、多くの異なるタイプのイベントをモデル化しておき、信号をそのタイプに一致させる必要がある。そうしないと、それをノイズとして無視したり、ブラックホールの合体と誤って分類したりする誘惑にかられるかもしれない。
ワープ・ドライブ時空の一つの問題は、それが発進や停止しない限り、自然に重力波を発生させないことだ。我々のアイデアは、特に何か問題が起きた場合に、ワープ・ドライブが停止したときに何が起こるかを研究することだった。ワープ・ドライブの封じ込め場が崩壊したと仮定しよう（SFでよくある筋書きだ）。おそらく、エキゾチックな物質と重力波の両方が爆発的に放出されるだろう。これは我々が数値相対論を使ってシミュレーションできる、そして実際にシミュレーションしたことだ。
我々が発見したのは、ワープ・ドライブのバブルの崩壊が実際に極めて激しい出来事だということだ。時空を歪めるのに必要な膨大なエネルギーが、重力波と正負のエネルギーを持つ物質の波の両方として放出される。残念ながら、潮汐力によってバラバラにされてしまうであろう宇宙船の乗組員にとっては、おそらくこれが最後になるだろう。
重力波信号が放出されることは分かっていた。乱雑な方法での物質の動きは全て、そのような波を作り出す。しかし、振幅と周波数、そしてこれらが歪んだ領域のサイズにどのように依存するかは予測できなかった。
1kmサイズの宇宙船の場合、我々の銀河内やそれ以遠でのそのようなイベントに対して、信号の振幅が有意になることを発見して驚いた。1メガパーセク（アンドロメダ銀河よりわずかに遠い）の距離では、信号は現在の検出器の感度に近いものになる。しかし、波の周波数は検出器が注目している範囲よりも約1000倍高い。
正直に言えば、我々の信号を決定的なワープ・ドライブ信号だと主張することはできない。我々のモデルでは、かなり具体的な選択をしなければならなかった。そして我々の仮想の宇宙人は、異なる選択をしている可能性がある。しかし、原理の証明として、標準的な天体物理学的イベントを超えるケースをモデル化できること、そして将来の検出器で探索できる特徴的な形状や形態を持つ可能性があることを示している。
我々の研究はまた、光波の研究と比較すると、我々はまだガリレオの段階にいて、可視光の狭い周波数帯で宇宙の写真を撮っているに過ぎないことを思い出させてくれる。我々にはまだ探索すべき重力波周波数のスペクトル全体があり、それは空間と時間を超えて起こっているさまざまな現象に敏感になるだろう。
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