数年前に日本で開かれたカンファレンスで、 デビッド・ダンスキー 星やブラックホールのような巨大な物体が加速するときに生じる時空構造の波紋である重力波についての講演に出席した。

ダンスキーは当時素粒子物理学の大学院生であり、彼の興味は別のところにあったようだ。素粒子物理学者は、私たちがよく知っている物理法則の基礎となる、より根本的な真実を追求しています。彼らは長い間、自分たちのアイデアをテストするために高エネルギー粒子衝突器を使用してきました。これらの科学者は、計り知れないエネルギーで粒子を衝突させることによって、構成要素の構成要素、つまり近距離スケールで起こる高エネルギー現象を発見することができます。これらの現象は、宇宙が小さく、密度が高く、信じられないほど高温だった宇宙の初期の瞬間についても教えてくれます。

しかしダンスキー氏は講演で、提案されているレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）のような将来の重力波観測所が高エネルギー物理学の探査に使用できる可能性があることを知った。 LISAは、宇宙ひも、つまり宇宙の誕生時に生じたかもしれない集中したエネルギーの膨大な糸と呼ばれる仮想の物体を検出できるだろう。 「私は宇宙初期からの重力波信号を理解しようとすることに夢中になりました」と、現在ニューヨーク大学の宇宙論者兼素粒子物理学者であるダンスキーは語った。現在コライダーで検出できる範囲を超えています。」

素粒子物理学の前進としての重力波への同氏の方向転換は、将来の LISA 実験への関心の広がり、そしておそらくより広範な変化を例示している。粒子衝突器での最後の大発見から 2012 年が経過しました。 XNUMX 年の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) でのヒッグス粒子の発見により、既知の素粒子と力の支配的な理論である素粒子物理学の標準モデルが完成しました。そして理論家たちはそれ以来、標準モデルを拡張する可能性のある理論の動物園を考えてきましたが、これらのアイデアをテストできる衝突型加速器を構築できるかどうかは明らかではありません。

「人々は、エネルギーの点でLHCよりも50倍強力な衝突型加速器を今後10年以内に構築することについて話している」と述べた。 ラマン・サンドラム、メリーランド大学の理論素粒子物理学者。しかし、標準モデルの 10 つの力をより短い距離で作用する XNUMX つの根底にある力に追跡する大統一理論をテストするには、「LHC の XNUMX 億倍のエネルギーを持つ衝突型加速器が必要になるようだ」と彼は述べた。

衝突型加速器では生成できないものでも、自然界では観察できるかもしれません。具体的には、答えは、宇宙が非常にエネルギー的であり、標準模型を超えた物理学が君臨していたであろう創造の最初の瞬間に展開されたプロセスの重力エコーの中にあるかもしれません。

それがダンスキーやサンドラムのような素粒子物理学者の希望であり、彼らは現在自分たちの理論を検証するためにLISAに注目している。このミッションのコンセプトは 1980 年代初頭に初めて開発され、翌 2011 年に欧州宇宙機関 (ESA) に正式に提案されました。このプロジェクトはしばらくNASAと協力して進められたが、2015年に予算の問題でアメリカが断念し、ヨーロッパが単独で進めざるを得なくなった。しかし今年2016月、LISAはついにESAからゴーサインを得て、現在建設を開始するために業界パートナーを探している。この発表は、XNUMX年とXNUMX年に将来の天文台の主要技術をテストしたパイロットミッション「LISAパスファインダー」の大成功を受けて行われた。

LISAは現在、2030年代に飛行する予定だ。 XNUMX年間にわたり、XNUMX機の衛星からなる衛星は、直径約XNUMX万マイルの正三角形を描いて宇宙空間を転がり、各宇宙船内で完全な自由落下状態に保たれた金色の立方体からレーザーを反射させて、時空の波紋を感じ取ることになる。

「初めて、私たちは宇宙の非常に初期の時代から実際に何かを直接得ることができるかもしれない」と彼は言いました イザベル・ガルシア・ガルシア、ワシントン大学の素粒子物理学者および宇宙学者。もしLISAが本当に原始重力波を捉えることができれば、それは私たちが宇宙の最初の瞬間を初めて垣間見ることになるだろうと彼女は付け加えた。 「素粒子物理学の観点から見ると、これは明らかに信じられないほどエキサイティングなことです。」

ラッキーリサ

実際にLISAが今後10年以内に原始重力波の検出に成功したとしたら、それは並外れた宇宙的幸運によるものとなるだろう。

どの望遠鏡も創造の最初の瞬間を明らかにすることはできません。望遠鏡は、遠くから伝わる光を検出することで宇宙の過去を覗きます。しかし、ビッグバン後の最初の 380,000 万年は、一種の宇宙のカーテンの後ろに隠されています。当時、宇宙は光子を散乱させる電離プラズマで満たされており、光を通さない状態でした。

光とは異なり、重力波は初期の宇宙を自由に波打つことができました。 LIGO や Virgo などの既存の地上天文台は、おそらくこれらの原始波に敏感ではありません。しかし、LISAは宇宙の幕が上がる前にステージで何が起こったかを聞くことができるかもしれない。

「霧の中で何かが聞こえているような感じです」とサンドラム氏は語った。

地上の重力波観測所と同様に、LISA はレーザーを使用してその「アーム」に沿った距離を正確に測定することにより、時空のさざ波を検出します。この場合、三角形の星座にある 400 つの宇宙船の間の空いた空間にある線です。重力波が通過すると、時空が伸びたり縮んだりします。これにより、LISA のアームの長さにわずかな差が生じますが、機器はレーザー ビームの山と谷の位置ずれを追跡することで検出できます。地球の騒々しい環境から離れたLISAは、ブラックホールや中性子星の衝突の検出に使用されてきたLIGOなどの既存の干渉計よりもはるかに感度が高くなる。それはまた、はるかに大きくなるでしょう。その各腕は地球の半径のほぼ XNUMX 倍の長さになります。

それでも、LISA が感じる距離の変化は非常に小さく、原子の約 50 分の XNUMX です。 「よく考えてみると、それはかなりクレイジーなコンセプトです」と彼は言った。 ノーラ・リュッツゲンドルフ、ESAの天体物理学者およびLISAプロジェクト科学者。

LISA はその大きさと感度により、地上の干渉計で観測できるものよりもはるかに長い重力波を観測することができます。 LIGO は約 30 ～ 30,000 キロメートルの波長の重力波を感知できますが、LISA は数十万キロメートルから数十億キロメートルまでの範囲の長さの重力波を検出できます。これにより、LISAは、(星サイズのブラックホールとは対照的に)超大質量ブラックホールの合体など、地上の天文台では「聞く」ことができない天体物理現象を聞くことができるようになる。また、LISA の波長帯域は、物理学者がビッグバン後の最初の瞬間に生成される重力波から予想されるサイズと偶然にも一致しています。

宇宙初期の高エネルギー物理学は重力の波紋を生み出し、宇宙が膨張して空間が伸びるにつれて、これらの波は巨大な次元まで吹き飛ばされました。 LISA はたまたま最初の 10 回で発生した波をキャッチする完璧な準備が整っているだけです^-17 10へ^-10 ビッグバンから数秒後、つまり時間の始まりに近い。その範囲の短い端、10^-17 秒は非常に短い期間であり、1 秒に宇宙の年齢に収まる秒数とほぼ同じくらいの期間が収まります。

「こういう偶然があるんです」と彼は言った キアラ・カプリーニ、ジュネーブ大学およびCERNの理論宇宙学者。 「LISAの検出周波数帯域と、素粒子物理学の知識の最前線を示す宇宙進化のこの特定の時代」との間には一致がある。

標準モデルを超えて

そのフロンティアに至るまで、標準模型は 17 個の素粒子の群れが電磁力、強い核力、弱い核力という XNUMX つの力とどのように相互作用するかを説明する優れた仕事をしています。しかし、その大成功にも関わらず、これらの粒子と力が存在のすべてであり、最終的なものであるとは誰も考えていません。

この理論には欠陥があります。たとえば、 ヒッグス粒子の質量 — 他の粒子の質量を決定する標準モデルの構成要素 — は イライラするほど「不自然」」それは恣意的であり、宇宙のはるかに大きなエネルギースケールと比較すると不可解なほど小さいように見えます。さらに、標準モデルでは暗黒物質についても説明も提供されていません。 謎の暗黒エネルギー それが宇宙の加速膨張を引き起こします。もう 1 つの問題は、反物質と物質が標準模型の 3 つの力の下でまったく同じように動作することです。物質が宇宙を支配しているため、これがすべてではないことは明らかです。そして重力もあります。標準模型は、独自の特注理論である一般相対性理論を使用して記述されなければならない 4 番目の基本的な力を完全に無視しています。

「そのため、私のような多くの理論家は、標準模型を少し圧縮して拡張しようと試みてきました」と、ベルギーのルーヴァン・カトリック大学の理論宇宙学者ピエール・オークレール氏は言う。しかし、それらをテストするための実験的証拠がなければ、これらの拡張理論は理論的なものにとどまります。

オークレアは理論家です。 「それでも、私はできる限り実験と結びつけようと努めています」と彼は言う。それが彼がLISAに惹かれた理由の1つです。 「これらの拡張は通常、初期宇宙でさまざまな極端な出来事を引き起こします」と彼は言いました。

ガルシア・ガルシア氏も同様に、LISAが高エネルギー物理学の観測証拠を約束したことが自分のキャリアを再考するきっかけになったと述べ、重力波は「他の実験では不可能な方法で初期宇宙を探査できる」と述べた。数年前、彼女は重力波と、標準模型を超えた物理学がどのようにして LISA で検出可能な指紋を残すのかについて研究を始めました。

昨年、ガルシア・ガルシアとその同僚たちは、 公開された作品 泡壁の重力波の特徴、つまり宇宙が冷えるにつれてさまざまな状態に閉じ込められた空間のポケット間のエネルギー的な障壁について。この冷却は宇宙が膨張するにつれて起こりました。水が沸騰して蒸気に変わるのと同じように、宇宙は相転移を経験しました。標準モデルでは、単一の「電気的に弱い」力が別々の電磁力と弱い力に分割される相転移は比較的スムーズでした。しかし、理論の拡張の多くは、宇宙のスープを泡立てて混乱させた暴力的な出来事を予測していると、泡の壁のような位相欠陥も研究しているダンスキー氏は述べた。

私たちの宇宙に浸透している量子場には、最小エネルギー状態、つまり基底状態があります。そして、宇宙が冷えるにつれて、新しい低エネルギーの基底状態が発達しましたが、特定の場が常にすぐに新しい基底状態に到達するとは限りませんでした。局所エネルギー最小値、つまり安定しているようにしか見えない偽の基底状態に閉じ込められた人もいます。しかし、時には、宇宙の小さな部分が量子トンネルを通って真の状態になり、外側の宇宙よりも低いエネルギーで急速に膨張する真の真空の泡の核を形成することがあります。

「これらの泡は非常にエネルギーに満ちています。内部と外部の圧力差により、彼らは光速に非常に近い速度で移動しているのです」とダンスキー氏は語った。 「したがって、それらが衝突すると、これら 2 つの非常に相対論的な物体の間で激しい衝突が起こります。これは、ブラックホールが衝突する直前に強い重力波を放出するのと似ています。」

紐と壁

さらに推測すると、初期宇宙の相転移によって、宇宙ストリングとドメイン壁と呼ばれる構造、つまりそれぞれ高密度のエネルギーの巨大なストランドとシートが形成された可能性もあります。

これらの構造は、それぞれが同等に有効な複数の新しい基底状態が存在するように量子場の基底状態が変化するときに発生します。その結果、宇宙のポケット間の境界に沿って高エネルギーの欠陥が生じ、それらがたまたま異なる、しかし同様に好ましい基底状態に陥る可能性があります。

このプロセスは、特定の岩石が冷えるにつれて自然な磁気を発生させるのと少し似ている、とダンスキー氏は語った。 観察可能な指紋を研究した プロセスの。高温では、原子の配向はランダムになります。しかし、低温では、それらが磁気的に整列することがエネルギー的に有利になり、基底状態が変化します。原子を方向付けるための外部磁場がなければ、原子は自由にどの方向にでも整列します。すべての「選択」は同様に有効であり、鉱物の異なる領域では、偶然にも異なる選択が行われます。すべての原子によって生成される磁場は、ドメイン間の境界で劇的に曲がります。

同様に、宇宙のさまざまな領域の量子場は、これらの領域の「境界で急速に変化する必要があり」、その結果、これらの境界で大きなエネルギー密度が生じ、「磁壁または宇宙ひもの存在を示す」と彼は述べた。

これらの宇宙ひもや磁壁が存在する場合、宇宙が膨張するにつれて、事実上宇宙全体に広がることになるでしょう。これらの物体は、ねじれがそれに沿って伝播し、ループが振動してカスプを形成すると、重力波を生成します。しかし、これらの波のエネルギースケールは、宇宙の最初の瞬間に形成された物体としてほとんど設定されていました。そして、もし存在するなら、LISA はそれを検出することができます。

創造のエコー

宇宙のごく初期から私たちに届く重力波は、ブラックホールの衝突の信号のように、きちんとまとめられたチャープとして届くわけではありません。それらは非常に早い時期に起こったため、そのような信号はそれ以来、宇宙全体に広がっています。それらはあらゆる方向から、空間のあらゆる点から同時にエコーします。つまり、背景の重力ハムです。

「探知機のスイッチを入れると、常にそこにあります」とガルシア・ガルシア氏は語った。

このような背景のパターンは、おそらく「普通の人にとっては単なるノイズに見えるでしょう」とサンドラム氏は言う。 「しかし、密かに、隠されたコードがあります。」

重要な手がかりの 1 つは、バックグラウンド信号のスペクトル、つまりさまざまな周波数での強度です。重力波信号を音と考えると、そのスペクトルはピッチと音量のプロットになります。本当にランダムなホワイトノイズはスペクトルが平坦になるだろうとオークレア氏は言う。しかし、相転移中に放出される重力波、または宇宙ひもや磁壁からキャストされる重力波は、特定の周波数で最も大きくなります。オークレア氏は、ねじれやループが進化するときに特徴的な波長で重力波を放射する宇宙ひものスペクトルの特徴の計算に取り組んできました。そしてカプリーニ 研究 激しい相転移が重力波の背景にどのように痕跡を残すのか。

サンドラムと彼の同僚による別のアプローチ 2018年に概説 & 最近詳しく説明された、空全体の背景の全体的な強度をマッピングしようとすることになります。これにより、異方性、つまり平均よりわずかに大きいまたは小さいパッチを探すことが可能になります。

「問題は、この種の信号が機器のノイズと実質的に同じ特性を持っていることです」とカプリニ氏は言いました。したがって、問題は、何かを検出したときに、それをどのように区別できるかということです。」

LISA は望遠鏡というよりはマイクに似ています。特定の方向を見つめるのではなく、空全体の音を一度に聞きます。原始重力波が存在する場合、それを聞くでしょう。しかし、私たちの銀河内でブラックホール、中性子星、白色矮星のペアが合体するときの鳴き声や遠吠えも聞こえるでしょう。 LISA が原始重力波の背景を検出するには、他のすべての信号を慎重に識別して除去する必要があります。宇宙初期からの真の信号をフィルターで取り除くことは、建設現場で春風の音を聞き出すようなものです。

しかし、サンドラムは希望を持つことを選択した。 「私たちが研究をするのは狂気の沙汰ではありません」と彼は言う。 「実験者にとっては難しいだろう。国民がやらなければならないさまざまな費用を支払うのは困難になるだろう。そして理論家にとって、あらゆる不確実性、誤り、背景などを乗り越えて計算するのは困難になるだろう。」

しかし、それでもサンドラム氏はこう付け加えた。少しの幸運があれば。」