私たちは、これまでで最大の重力波検出器を使用し、宇宙の織物が絶え間なく振動しているという以前の報告を確認した。この背景のうなりは、銀河の中心に存在する巨大なブラックホール同士の衝突によって引き起こされている可能性が高い。
銀河全体に広がる高速回転する中性子星の配列である私たちの検出器からの結果は、この「重力波背景」が以前考えられていたよりも大きい可能性があることを示している。また、私たちは空全体の重力波の最も詳細な地図を作成し、南半球に興味深い「ホットスポット」があることを発見した。
この研究は本日、『Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』誌に3本の論文（1, 2, 3）として発表された。
時空のさざ波
重力波は時空の織物に生じるさざ波である。これらは、信じられないほど密度が高く質量を持つ物体が互いに軌道を描いたり衝突したりする際に生成される。
宇宙で最も密度が高く質量を持つ物体は、死んだ恒星の残骸であるブラックホールである。ブラックホールを研究する数少ない方法の1つは、互いに近づく際に放出される重力波を探すことである。
光と同様に、重力波はスペクトルとして放出される。最も質量の大きいブラックホールは、最も遅く、最も強力な波を放出する—しかし、これらを研究するためには、私たちの銀河サイズの検出器が必要となる。
比較的小さなブラックホール同士の衝突によって生成される高周波の重力波は、地球ベースの検出器で検出することができ、2015年に初めて観測された。しかし、より遅く、より強力な波の存在を示す証拠は、昨年まで見つからなかった。
世界中の複数の天文学者グループは、特定の種類の恒星群の挙動を詳細に観測することで、銀河規模の重力波検出器を組み立てている。私たちの実験であるMeerKAT Pulsar Timing Arrayは、これらの銀河規模の検出器の中で最大のものである。
本日、私たちは低周波重力波のさらなる証拠を発表したが、以前の結果とはいくつかの興味深い違いがある。他の実験の3分の1の時間で、私たちは予想よりもさらに活発な宇宙を示唆する信号を発見した。
また、銀河の合体によって残された宇宙の構造を、これまでにない精度で地図化することができた。
ブラックホール、銀河、パルサー
科学者たちは、ほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホールと呼ばれる巨大な天体が存在すると考えている。太陽の数十億倍もの質量を持つにもかかわらず、これらの宇宙の巨人を研究することは困難である。
天文学者たちは数十年前から超大質量ブラックホールの存在を知っていたが、直接観測されたのは2019年が初めてである。
2つの銀河が合体する際、それぞれの中心にあるブラックホールは互いに向かって渦を巻き始める。このプロセスの中で、遅く、強力な重力波を放出し、これによって私たちは研究の機会を得ることができる。
私たちはこれを、もう1つの特異な宇宙天体であるパルサーを使って行う。パルサーは主に中性子でできた極めて密度の高い恒星で、都市程度の大きさしかないにもかかわらず、太陽の2倍の質量を持つ可能性がある。
パルサーは1秒間に数百回自転する。回転しながら、灯台のように振る舞い、何千光年も離れた場所から地球に放射のパルスを送る。一部のパルサーについては、そのパルスが地球に到達する時刻をナノ秒単位で予測することができる。
私たちの重力波検出器はこの事実を利用している。同じ期間に多くのパルサーを観察し、パルスが地球に到達する時刻の予測が非常に特定の方法で間違っている場合、地球とパルサーの間の空間が重力波によって伸縮していることがわかる。
しかし、1つの波だけを見るのではなく、あらゆる方向に交差する波で満ちた宇宙の大海を見ることが期待される—これは宇宙の歴史における全ての銀河合体の反響するさざ波である。これを重力波背景と呼ぶ。
予想以上に大きな信号と興味深い「ホットスポット」
重力波背景を検出するため、私たちは南アフリカのMeerKAT電波望遠鏡を使用した。MeerKATは世界で最も感度の高い電波望遠鏡の1つである。
MeerKAT Pulsar Timing Arrayの一部として、約5年間にわたって83個のパルサーのグループを観測し、それらのパルスが地球に到達する時刻を正確に測定してきた。これにより、重力波背景に関連するパターンを発見したが、他の実験で見つかったものとは少し異なっている。
このパターンは、パルサーと地球の間の時空が、その間を通過する重力波によってどのように変化するかを表しているが、予想よりも強力である。
これは、私たちが考えていたよりも多くの超大質量ブラックホールが互いに軌道を描いていることを意味するかもしれない。もしそうだとすれば、さらに多くの疑問が生じる—なぜなら、既存の理論では、私たちが観測しているように見えるほど多くの超大質量ブラックホールは存在しないはずだからである。
私たちの検出器の規模とMeerKAT望遠鏡の感度により、背景を極めて正確に評価することができる。これにより、これまでで最も詳細な重力波背景の地図を作成することができた。このような方法で背景を地図化することは、私たちの宇宙の構造を理解する上で不可欠である。
さらには、観測される重力波信号の究極的な源の発見につながる可能性もある。背景がこれらの巨大なブラックホールの相互作用から生じると考えられているが、ビッグバン後の初期の活発な宇宙における変化から生じている可能性もある—あるいはさらに特異な事象から生じている可能性もある。
私たちが作成した地図は、南半球の空に重力波活動の興味深い「ホットスポット」を示している。このような不規則性は、他の可能性よりも超大質量ブラックホールによって生成された背景という考えを支持している。
しかし、銀河サイズの検出器を作ることは非常に複雑であり、これが本物なのか、統計的な異常なのかを判断するのは時期尚早である。
私たちの発見を確認するため、International Pulsar Timing Arrayの旗印の下、他の国際協力からの結果と新しいデータを組み合わせる作業を進めている。
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