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重力波とは何か

2017.11.16 更新 ツイート

あなたが動くときにも重力波は発生している!川村静児

中性子星連星から放出される重力波のイメージ (ⓒKAGAYA)

 2017年のノーベル物理学賞は、「重力波」の観測に成功したアメリカの研究チームが受賞しました。
 重力波の存在を予言したアインシュタインによれば、重力の本質は「空間を歪ませる力」であり、重力によって空間が歪むときに発生するのが「重力波」。ですので、重力波はまったく特殊な現象ではなく、あなたが動くときにも発生しています。
 それなのになぜ、はるか彼方の宇宙空間で、しかも観測されるまで100年もかかったのでしょうか?
『重力波とは何か――アインシュタインが奏でる宇宙からのメロディー』の著者で東京大学宇宙線研究所教授、日本の重力波観測施設「KAGRA(かぐら)」を率いる川村静児さんが、その理由を教えてくれました。


 * * *

重力波は身近にあるが、ものすごく弱い

 質量のある物体があれば重力場が生じ、その物体が動けば重力波が出るのですから、これは決して特殊な現象ではありません。

 私たちの身のまわりにある物体は(もちろん自分自身の身体も含めて)、すべて質量があります。たとえば本にも質量があるので、その存在によって空間は歪んでいます。あなたがページをめくれば「質量のある物体」が動くので、そのたびに重力波が発生しています。

 ここで勘違いしてはいけないのは、「物体が動かなければ、重力があっても重力波は出
ない」という点。たとえば本がテーブルの上に置いてあり、そこで微動だにしていなければ、(重力場は生じますが)重力波は出ません。物体が動いたときに、それに伴う重力場の変化を伝えるのが重力波です。

 ただし、物体が動いていれば必ず重力波が出るというわけでもありません。重力波が出るのは、物体が「加速度運動」をするときです。等速運動の場合は、どんなに速く動いても重力波は出ません。たとえば止まっていた物体が動き出せば、それは加速度運動。ですから、椅子に腰掛けていたあなたが立ち上がったりすれば、重力波は出ます。

 そんなことで出るのであれば、重力波を見つけるのは簡単ではないか――そう思う人もいるかもしれません。そこら中で重力波が出ているはずなのに、アインシュタインの予言から直接検出まで、どうして100年もかかったのでしょうか。

 それは、重力波がきわめて微弱だからです。

 そもそも重力という力そのものが、強いものではありません。私たちは重力のせいで地面にくっついているのでその影響を強く感じますが、たとえば電磁気力の強さを1とすると、重力の強さはわずか10のマイナス36乗。小数点の下に0が35個もつくのです。

 たとえば金属製のクリップは下から地球の重力で引っ張られていますが、小さな磁石を上にかざしただけで、その重力を振り切って上に飛び上がるでしょう。大きな地球が小さな磁石に負けるほど、重力は弱いのです。もし重力が電磁気力並みに強くなったら、私たちはその場から一歩も動くことができません。

 地球ほど大きな物体なら重力も強くなるので、そこに物が吸い寄せられるのを確認できます。しかし、小さな物体同士のあいだに働く重力は日常レベルでは観測できません。先ほどの思考実験でも、宙に浮いたリンゴ同士のあいだに働く重力は無視できるほど小さいものでした。

 重力波も、それと同じようなもの。動く物体の質量が大きいほど、また、その動きが速
いほど、重力波は強くなりますが、私たちが飛んだり跳ねたりしたくらいでは、どんなに体重の重い人でも、観測できるような重力波は生じません。

 では、たとえば長さ10メートル、重さ1トンの棒をつくって、秒速100回転で振り回したら、どうでしょう。現実的にはかなり無理のある設定ですが、重いものを速く動かすのですから、かなりの重力波が出そうです。

 しかし、それでも大したことはありません。それによって生じる重力波は、空間を10のマイナス40乗メートルほど歪ませるだけ。それを検出するのは、現在の技術では不可能です。検出できるほどの強い重力波を人工的に発生させようと思ったら、「ミニ・ブラックホール」をつくり出して、それを光速に近いスピードで回転させるような技術が必要です。ブラックホールは猛烈に密度が高いので、小さくても大変な質量になります。

 でも、そんな技術が人類の存続中にできるとは思えません。仮にできたとしても、ブラックホールは、その強い重力によって光さえも脱出できない存在です。ミニ・ブラックホールに地球自身が飲み込まれてしまったのでは、元も子もありません。どんなに技術が発達しても、検出できるほど強い重力波を人工的につくるのは難しそうです。

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川村静児『重力波とは何か アインシュタインが奏でる宇宙からのメロディー』

祝・ノーベル賞受賞! 重力波は、1916年にアインシュタインが存在を予言。 彼の数々の予言のうち、最後まで残った宿題「重力波」を、 2016年に世界で初めて観測したアメリカの観測施設LIGOのメンバーが 2017年のノーベル物理学賞を受賞した。 そのLIGOプロジェクトで、かつて「ノイズハンター」として名を馳せたのが、 現在は日本の観測施設KAGRAの中心メンバーとして活躍する川村静児氏。 受賞者のひとりレイナー・ワイス博士は、受賞後のインタビューで 「川村氏の存在なしに受賞はあり得なかった。 彼は最高の科学者であり、実験者」と、川村氏の功績を称えている。 本書では川村氏が「重力波天文学」の世界をやさしくエキサイティングに解説。 重力波をとおして宇宙誕生の謎に迫る、決定版の入門書である。

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2017年のノーベル物理学賞はアメリカの「重力波」観測チームが受賞しました。重力波とは一体何なのか? 重力波の観測にはどんな意義があるのか? 日本の第一人者がわかりやすく解説します。

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川村静児

1958年高知県生まれ。土佐高校卒業。早稲田大学理工学部卒業。東京大学大学院理学系研究科博士課程修了。理学博士(東京大学)。カリフォルニア工科大学Member of Professional Staff、国立天文台助教授、准教授などを経て、東京大学宇宙線研究所教授。専門は重力波物理学。

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