一般相対性理論によって予言されながらも最後まで未検出であった重力波だが、GW150914によって、大規模な天文現象が生み出す時空のゆがみが実際に存在することが観測で確かめられた。GW150914の検出は重力波天文学の幕開けを告げるものでもあり、それまで電磁波では観測不可能であった劇的な現象の観測を可能にし、さらにビッグバン直後の宇宙の直接探査に道を開くものであった[1][16][17][18][19]。このあと、2015年後半に2件の重力波の検出があったことが2016年6月15日に公表された[20]。GW170817も含まれている。詳細は「重力波」を参照メディアを再生するGW150914として検出されたブラックホールの合体によって作られる時空のゆがみと重力波を示したモデル映像。アルベルト・アインシュタインは、自らが構築した一般相対性理論[22]をもとに、1916年に重力波の存在を予言した[23][24]。一般相対性理論では、物質が質量を持つことで引き起こされる時空のゆがみによって重力が生じると考える。このため、アインシュタインは時空のゆがみが宇宙の中をさざ波のように広がっていくと考えた。その波は極めて微弱であるから、アインシュタインはこれを実際に検出できる日は来ないだろうと予想していた[11]。軌道運動する物体は周囲に重力波を放射し、エネルギー保存則に従って徐々にエネルギーを失っていくことも予言された。この場合も、非常に特殊なケースを除いて、失われるエネルギーは極めて微々たるものであるとされた[25]。宇宙で起きる様々な現象の中で最も強い重力波が放出されるのは、非常にコンパクトで高密度な天体、例えば中性子星やブラックホールが合体する最後の瞬間である。連星を成す中性子星やブラックホールは、数百万年以上の長い時間をかけて重力波を放ちながら徐々にエネルギーを失っていき、やがて衝突する。合体の直前に、ふたつの天体の移動速度は極限まで大きくなり、合体の瞬間に相当量の質量が重力エネルギーに変換され、そして重力波となって宇宙に放たれる[26]。このような過程を経るコンパクト天体の連星系が宇宙にどれほど存在し、その衝突にかかる時間がどれほど長いものであるのかはほとんど解明されていなかったため、重力波の発生頻度についても確かな予測はなかった[27]。詳細は「重力波天文学」および「観測された重力波の一覧」を参照メディアを再生する連星ブラックホール系GW150914が合体する最後の0.33秒間を、非常に近くからスローモーションで見た場合のイメージ映像。ブラックホールの重力が引き起こす重力レンズ効果によって背景の星はゆがんで見える。これは、回転する連星ブラックホール系によってその周囲の空間そのものがゆがむことに起因する。[21]重力波は、重力波が引き起こす天体現象を観測することによって間接的に、またLIGOのような重力波望遠鏡によって直接観測される[28]。B1913+16の運動の観測を通してであった。連星を成すふたつの中性子星のうち、一つは極めて規則正しい電波パルスを出す天体「パルサー」であった。この系を発見したラッセル・ハルスとジョセフ・テイラーは、時間とともにパルスの周期が短くなっていること、すなわちふたつの中性子星の軌道が徐々に小さくなっていることを見出した。そのエネルギー変化は、重力波を放出していると仮定したときに失われるエネルギーと非常によく一致していた[29][30]。この発見によって、ハルスとテイラーは1993年のノーベル物理学賞を与えられた[31]。詳しく観測され、高い精度で一般相対性理論との一致が認められた[32][33]。詳細は「重力波検出器」および「LIGO」を参照LIGOハンフォード観測所の北アーム。重力波の直接検出には、地球上にあまねく存在する微小振動と重力波による変位を見分けられる極めて高精度な装置が必要であり、その実現には何十年もの時間を要した。干渉計と呼ばれる技術が1960年代に提唱され、この技術を発展させることが実際の検出に結びついた。LIGOなど現在の重力波望遠鏡では、レーザー光をふたつに分割し、異なる道筋を通らせたのちに再び一つに合わせることによって重力波を検出する。重力波が検出器に到達すると、光路長がわずかに変化する(あるいは、光が到達するのにかかる時間がわずかに変化する)ため、うなりが生じる。うなりを検出する仕組みは、微小な距離の変化に極めて敏感である。理論的には、長さおよそ4キロメートルの腕を持つ重力波干渉計であれば、陽子の直径にも満たないごくわずかな時空の変動を検出することができるとされる。600、KAGRA、INDIGOなどと協調して観測を行い、2か所以上で検出されることが理想である。-119.4076556)を同期して観測を行っている。ふたつの観測所の信号は常に比較されており、同時に発生した有意な信号はすぐに同定され、重力波起源であるのか何らかのノイズであるかの判定がなされる。2002年から2010年までのLIGOの観測では、重力波の検出を示す有意な信号は一度も得られなかった。LIGOとなるべくアップグレードされた[35]。2015年2月、アップグレード作業を終えたふたつの観測所は、試験観測を開始し、本観測に向けた機能の確認作業を行った[36]のちに、2015年9月18日に正式な科学観測を開始する予定であった[37]。LIGOの建設と初期の観測期間中には、人為的な(偽物の)重力波信号が秘密裏に複数回入力され、研究者による信号検出可能性を試験した。試験の有効性を高めるために、人為的信号が入力されたタイミングを知っていたのはわずか4名の研究者だけであり、すべての検証作業が終わったのちに初めて人為的信号であることが明らかにされた[38]。あったLIGOは、重力波の可能性がある信号を検出した。この信号は人為的信号ではなく、GW150914と名付けられた[39]。GW150914検出GW150914は、2015年9月14日世界時09:50:45に、LIGOのハンフォード、リビングストン両観測所によって検出された[2][9]。このときLIGOはエンジニアリングモード、つまり検出器は稼働しているものの正式な科学観測には入っておらず(3日後の9月18日に開始が予定されていた)、当初はこの検出が実際の信号を捉えたものなのか、シミュレーションデータを人為的に挿入したものなのかを区別することは難しかった。のちに人為的信号の挿入が行われていないことが明らかになり、実際の検出に成功したことが確かとなった[40]。信号は0.2秒間にわたって記録されており、8周期の間に周波数は35ヘルツから250ヘルツへと増加し、同時に振幅も増加した[1]。この周波数は人間の可聴域にあり、鳥のさえずりのようでもあった[2]。この信号検出の発表後、ソーシャルメディア上でこのさえずりを模倣する天体物理学者や他の分野の研究者が現れた[2][41][42][43]。(周波数が増加するのは、合体の瞬間に向けてふたつの天体の軌道運動がどんどん速くなることによるものである。)信号の入感から3分以内に、重力波検出の可能性を知らせるアラートが出された。これは、検出を検証するためのデータ解析を研究者に促すためである[1]。世界時09:54に発せられた自動アラートに続いて、人為的信号の挿入がなされていないことを確認する内部電子メールが回覧された[38][44]。このあと、LIGO研究チームのメンバーたちは、これが実際の重力波検出である可能性が高いことを悟り、重力波が示す物理パラメータの導出を行った[45]。99.99994%)であることが明らかになった[1][46]。LIGOリビングストン観測所では、ハンフォード観測所よりも7ミリ秒早く信号を検出していたことも明らかになった。重力波は光速で伝搬するが、この時間差はふたつの場所における光の到達時間差と一致することも確かめられた[1]。重力波は、光の速度で10億年以上も旅し続けてきたことになる[47]。この重力波が地球に到達したとき、イタリア、ピサにあるVIRGO干渉計はアップグレード作業の途中で、観測を行っていなかった。観測中であったならばVIRGO干渉計でも十分に検出されていたし、その場合には発生源の位置決定精度は大幅に上昇していたはずである[2]。GEO600の感度は検出には十分でなかった[1]し、日本のKAGRAも建設中であった。メガパーセク[48]:6の距離で発生した。信用区間)に相当する。7001350000000000000♠35+5−3倍と7001300000000000000♠30+3−4倍のふたつのブラックホールが合体し7001620000000000000♠62+4−3太陽質量のブラックホールが作られたことによって発せられたことがわかった[48]:6。合体前後の合計質量の差(7000300000000000000♠3.0±0.5太陽質量)は、質量とエネルギーの等価関係から、重力波の形態で放射され散逸したことになる[1]。ワット(526dBm)となり、観測可能な宇宙に存在するすべての星の放射の合計エネルギーよりも50倍も大きなものとなった[49][1][2][13][14]。重力波信号が検出された0.2秒間に、ブラックホールの軌道運動速度は光速の30%から60%へと増大していた。軌道周期は75ヘルツ(重力波の周波数の半分)であり、これは合体直前のふたつのブラックホールの間隔がわずか350キロメートルしかなかったことを示している。重力波信号の偏光フェイズの変化に基づいて天体の軌道周期を計算することができ、また信号の振幅と全体的なパターンから、ふたつの天体の質量と最終的な速度及び軌道の大きさを計算することができる。計算によって求められた数値は、合体した天体がブラックホールでなくてはならないことを示唆していた。ブラックホールでなく同等の質量を持つ別種の既知の天体であったとしたら、合体前は非常にサイズが大きくなくてはならず、また合体直前にこれほど小さな軌道を回りあうこともできない。これまで観測された中性子星のうちで最も質量が大きなものでも2太陽質量程度であること、中性子星の質量の上限がせいぜい3太陽質量であることを考えると、中性子星のペアではこの合体は説明できない。(ボソン星のような仮説的な天体であれば、同様の重力波信号の発生を説明することはできる[50][1])ブラックホールと中性子星からなる連星系の合体はより早い段階で起きることから、合体直前の軌道周波数がここまで大きくなることはない[1]。極大となったあとの重力波信号の減衰は、合体後にひとつのブラックホールが形成されて状態が落ち着くまでの信号とよく一致していた[1]。コンパクト連星が合体に至る直前の回転運動はポスト・ニュートン展開によってよく記述されるが[51]、強い重力場での合体段階は大規模な相対論的数値計算によってのみ解くことができる[52][53][54]。改善された理論モデルとデータ解析の結果によれば、合体後の天体は自転するカー・ブラックホールであり、スピンパラメータは6999680000000000000♠0.68+0.05−0.06[48]、すなわち同質量のブラックホールにおける最大の自転速度の2/3であることが明らかになった。重力波検出器は、全天を観測できる反面、天体の位置を高い解像度で特定する能力を持っていない。天体の位置を特定するには、複数の重力波検出器を組み合わせて三角視差を用いる必要がある。GW150914が発生した時には、LIGOの2か所の観測所のみが稼働していたため、その位置をピンポイントに決めることはできず、ある大きさを持つ円弧上の範囲内に存在することまでしかわからなかった。4に存在すると推測される[2][9]。参考までに、オリオン座の大きさが594平方度である[57]。ガンマ線観測フェルミガンマ線宇宙望遠鏡は、搭載するガンマ線バーストモニター(GBM)によって、LIGOでの重力波検出の0.4秒後からエネルギー50keVの弱いガンマ線バーストを検出した。ガンマ線バーストの位置は、LIGOの観測から推測される重力波源の位置と誤差の範囲内で一致した。フェルミチームは、同じ位置に同じタイミングで重力波源とは全く無関係のガンマ線バーストあるいはノイズが現れる確率を0.22%と推定している[58]。ブラックホール合体でガンマ線バーストが発生することは想定されておらず、別のガンマ線観測衛星インテグラルで観測されたガンマ線・硬X線のエネルギーが重力波放射の100万分の1にも満たなかったことから、重力波源が観測者の方向に向かって強烈な放射が放たれる通常のガンマ線バーストである可能性はほぼ否定された。フェルミが観測した信号が実際に天体由来のものであったとしたら、インテグラルでは15シグマのレベルで検出されるはずであった[59]。イタリアのエックス線観測衛星AGILEでも、この重力波源に付随するガンマ線放射はとらえられていない[60]。2016年6月に独立な研究グループが、ガンマ線突発天体のスペクトルの推定にあたって異なる統計的アプローチを行った検証結果を発表した。それによれば、フェルミのデータはガンマ線バーストの証拠とは言えず、背景のノイズか地球由来のガンマ線であるとしている[61][62]。このグループはフェルミのデータを誤った方法で解析しており、当初の結果が覆るものではない、という反論もある[63][64]。重力波イベントGW150914のもととなったと考えられるブラックホールどうしの合体では、それぞれのブラックホールがまとうガスの量が十分でないため、ガンマ線バーストは発生しないと考えられている。Leobは、大質量星が高速で自転していた場合、その崩壊時に生み出される遠心力によって星は高速回転する棒状の構造を作り、その後鉄アレイ状にふたつの物体がつながった形状となった後にそれぞれがブラックホールとなり(ブラックホール連星)、ガンマ線バーストが生じるという理論を構築した[65][66]。Loebは、ガンマ線バーストが星を横切るのにかかる時間は重力波が横切る時間より0.4秒長くかかると見積もっている[66][67]。重力波源の推定位置に対しては、電波や可視光、赤外線、エックス線、ガンマ線などあらゆる波長の電磁波及びニュートリノの追跡観測が行われた。検出時にはLIGOは正式な科学観測に入る前だったこともあり、他の観測施設への連絡に遅れが生じた[要出典]。フランスのニュートリノ検出器ANTARESは、GW150914から±500秒間の範囲ではニュートリノを検出できなかった。南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所では、±500秒の間に3個のニュートリノ候補が検出された。そのうちの1個は南天から、2個は北天から到来していた。これは、特定の天体由来ではない背景ニュートリノの期待値と同程度であり、いずれも重力波源と90%の信頼区間では一致しないものであった[68]。ニュートリノの有意な検出は無かったが、これによってブラックホール合体におけるニュートリノの放出過程において制限を与える結果が得られた[68]。いずれでも新しい天体を検出することはなかった[69]。Córdovaが同席して行われた[4][2]。一般向けの発表と時を同じくして、バリー・バリッシュが研究者向けのプレゼンテーションを行った[70]。重力波の検出を論じた科学論文は、記者会見中に専門誌フィジカル・レビュー・レターズにて出版され[1]、続く論文もほどなく出版[17]あるいはプレプリントとしてオンライン上に公開された[71]。社会における受け止めと授賞2016年5月、重力波の初検出に対して基礎物理学ブレイクスルー賞が授賞された。授賞対象者は、ロナルド・ドリーバー、キップ・ソーン、レイナー・ワイスをはじめとするLIGOコラボレーションの全員であった[72]。ドリーバー、ソーン、ワイス、LIGOチームはさらにグルーバー賞を受賞した[73]。ドリーバー、ソーン、ワイスはまた2016年のショウ賞[74][75]と2016年カブリ賞天体物理学部門[76]を受賞した。シュは、イタリア物理学会から2016年エンリコ・フェルミ賞を受けた[77]。GonzálezとLIGOチームは、2017年ブルーノ・ロッシ賞を受賞した[78]。2017年のノーベル物理学賞は、レイナー・ワイス、バリー・バリッシュ、キップ・ソーンに与えられた。授賞理由は「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」であった[79]。重力波検出の意義GW150914の検出は、全く新しい重力波天文学の幕開けとして記念すべきものであった[80]。用いて宇宙を観測していたが、このことによる限界も生じていた。電磁波や宇宙線を発しない天体現象や天体は多くあり、これらは従来の観測では捉えることができなかったのである。ブラックホールは電磁波も宇宙線も放射しないため、重力を介した相互作用によって間接的にその存在を確認することができるにとどまる[81][82]。さらなる連星合体現象検出への期待2016年6月15日、LIGOはふたつ目の重力波イベントGW151226の検出を発表した[83]。LIGOの感度から見積もると、2016年11月から2017年8月までの観測期間において、GW150914と同様のブラックホール合体現象からの重力波をさらに5回は検出できるだろうと期待されていた(結果的には、7回の検出に成功した)。連星合体は毎年40回、現在の理論では予言できないようなまったく新しい現象も数多く検出されると見込まれていた[9]。LIGOをさらにアップグレードさせる計画があり、これによって信号雑音比は2倍向上し、GW150914のような重力波イベントが検出できる宇宙の体積は一桁増加すると見込まれている。アップグレードされたVIRGO干渉計やKAGRA、構想中のLIGOインディアなどのネットワークを構築することで、天体位置の特定精度や天体の物理情報の導出精度がさらに向上すると期待されている[1]。(LISA)では、GW150914と同様なブラックホール合体の場合、合体の1000年前の段階から重力波を検出可能であるとされており、10メガパーセク以内に存在する未知の天体を数多く発見することが期待されている[17]。パスファインダーが2015年12月に打ち上げられ、LISAが実現可能であることが確認された[84]。2020年に完了するアップグレードによって、LIGOは年間1000回のブラックホール合体を検出できると見積もられている[55][56]。合体前のふたつのブラックホールの質量は、恒星進化論に関する情報を与えてくれる。GW150914のもとになったふたつのブラックホールはいずれも、エックス線観測によってこれまで発見されていた恒星質量ブラックホールよりも大きな質量を持っていることが明らかになった。これは、恒星進化の最終段階において、恒星風が想定よりも弱いこと、すなわち金属量(水素・ヘリウムよりも重い元素の存在比)が太陽の半分以下であることを示唆している[17]。合体前のブラックホールが連星系を成していたこと、さらにこの連星系が宇宙年齢のうちに合体するほど近接した軌道を持っていたことは、連星の進化過程や恒星の運動に関しても制限を与える。恒星質量ブラックホールが超新星爆発のあとに残されることを考えると、ふたつのブラックホールが近接した軌道を持つためには、超新星爆発の瞬間にブラックホールがそれほど大きく移動しないことを示唆している。爆発の瞬間に大きな加速度を得てしまうと、連星系として存在できず、重力波のもとになったブラックホールの合体が発生しない[17]。ブラックホール合体による重力波の検出によって、こうした合体現象が1立方Gpc(ギガパーセク)あたり1回以下しか起きないという一部の理論は棄却された[1][17]。Gpc−3yr−1と見積もられている[85]。今後の宇宙観測に対する示唆ブラックホール合体現象にともなって放出された重力波の波形と振幅を測定することで、地球からの距離を正確に測定できる。宇宙論的な距離で発生するブラックホール合体現象の観測を積み重ねていくことで、宇宙膨張モデルの精緻化や宇宙を膨張させる原因とされるダークエネルギーの性質を理解する手掛かりが得られるかもしれない[86][87]。宇宙の最も初期の時代、宇宙は非常に高温で物質が電離しており、光子が自由電子によって散乱されていたため、宇宙は不透明だった[88]。このことは重力波の伝搬には全く影響を与えないため、宇宙初期に十分な強さで重力波が発せられたとすれば、電磁波では観測不可能な時代での現象であってもこれを観測することができる。このため、重力波天文学は宇宙の最初期を明らかにすることができると期待されている[1][16][17][18][19]。合体後のブラックホールが持つ基本的な性質、すなわち質量とスピンは、ふたつのブラックホールが合体した場合の相対性理論による予言と整合している[6][7][8]。これは、非常に強い重力場において初めての相対性理論の検証となった[1][16]。一般相対性理論による予言に反する現象は、この重力波イベントに関しては見つかっていない[16]。一般相対性理論から予言されるより複雑な相互作用、例えば重力波と曲がった時空の相互作用などは、今回の重力波信号では十分に検証することができなかった。検出された信号は比較的強いものではあったが、連星パルサーによるものよりは微弱だったのである。今後の重力波検出器の高性能化によってより強い重力波信号が捉えられた場合には、重力波との複雑な相互作用の検証や一般相対性理論からの逸脱に制限をつける研究が行われる[16]。重力波の速度(vg)は、一般相対性理論によって光速度(c)と同じであることが予想されている[89]。光速度からのずれが存在すれば、それは理論的に存在が指摘されているグラビトン(重力子)の質量に関係する。重力子とは、重力相互作用を伝達する役目を持つ素粒子である。重力が無限の距離にまで到達するとすれば、重力子は質量を持たないことになる。これは、ゲージボゾンの質量が大きいほど、これが伝える力の到達範囲が狭くなることによる。現在の観測では、光子が媒介する電磁力と同じく重力の到達距離は無限である。重力子が有限の質量を持つとしたら、重力の伝搬速度は光速よりも小さくなり、また周波数によって速度が異なることから、天体現象に起因する重力波にも分散が生じることになる[16]。このような分散は検出されていない[16][26]。km、約1光年よりも大きくなった[1][16]。m)であるから、4kmの腕が陽子の1/1000だけ伸縮した場合の変位は約4×10−22となる。これほど大きなエネルギーではあるが、もし重力波源から1天文単位離れたところに人間がいたとしても、重力波による影響は微々たるもので、人間の生存には影響を与えない[15]。2016年2月11日閲覧。2016年2月16日閲覧。2016年2月11日閲覧。2016年2月15日閲覧。2016年2月19日閲覧。2016年2月12日閲覧。2016年2月12日閲覧。2016年2月24日閲覧。2016年6月15日閲覧。2016年2月16日閲覧。2006時点におけるアーカイブ。2016年2月14日閲覧。2016年2月19日閲覧。2016年2月16日閲覧。2014年5月6日閲覧。2016年2月16日閲覧。2016年1月4日閲覧。2015年9月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年2月11日閲覧。2016年2月11日閲覧。2016年2月13日閲覧。2016年2月11日閲覧。2016年2月13日閲覧。2016年2月16日閲覧。2016年6月22日閲覧。2016年12月16日閲覧。2016年6月9日閲覧。2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