【ITニュース解説】Gravitational wave detector confirms theories of Einstein and Hawking

宇宙の深淵から届く微かなささやき、それが重力波だ。近年、この重力波を捉える検出器の進化は目覚ましく、ついにアルベルト・アインシュタインとスティーブン・ホーキングという二人の偉大な物理学者が提唱した宇宙の根源的な理論が、これまでになく明確な形で確証された。特に、謎に包まれた天体であるブラックホールの本質に迫る、最も鮮明な視点が得られたことは、現代物理学における画期的な出来事である。

重力波とは、質量を持つ物体が激しく運動する際に、その周りの時空が歪み、その歪みが波のように宇宙を伝播していく現象を指す。この概念は、20世紀初頭にアインシュタインが発表した「一般相対性理論」によって初めて予測された。一般相対性理論は、重力を物体同士が引き合う力としてではなく、質量やエネルギーが存在することで時空そのものが変形し、その変形が周囲の物体の運動に影響を与えるという、革新的な見方を提供する。この理論は、重力波が光速で伝わることをも予測していた。

今回の観測の中心となったブラックホールは、宇宙に存在する最も極端な天体の一つである。その名の通り、非常に強力な重力を持つため、一度その内部に入った物質や光は、二度と外へ脱出できない。この脱出不能な領域の境界を「事象の地平線」と呼ぶ。事象の地平線は、ブラックホールの外から見ると一方通行の膜のようなもので、そこを超えた情報は外部に届かない。アインシュタインの一般相対性理論はブラックホールの存在を理論的に示しており、そこでは事象の地平線の形状や性質についても特定の予測がなされていた。

一方、スティーブン・ホーキングは、ブラックホールの事象の地平線が持つ物理的な性質について深く研究を進めた。彼の理論の一つに「事象の地平線面積定理」がある。これは、ブラックホール同士が合体するなど、どのような物理過程を経ても、事象の地平線の表面積が時間と共に減少することはない、と予測するものだ。つまり、ブラックホールは合体すればするほど大きくなるか、少なくとも小さくなることはないという、直感に反するような性質を数理的に示した。この理論は、ブラックホールの情報損失パラドックスなど、量子力学と一般相対性理論の接点における重要な議論へと繋がっていくものであった。

これらアインシュタインとホーキングの理論を実証するために、世界の研究機関は重力波を直接検出する装置の開発に長年取り組んできた。その代表的なものが、レーザー干渉計と呼ばれる原理を利用した巨大な検出器、例えばアメリカのLIGO、ヨーロッパのVirgo、そして日本のKAGRAなどである。これらの検出器は、数キロメートルにわたる長いトンネルの中に真空状態を作り、その中にレーザー光を往復させる。宇宙から重力波が到来すると、時空の歪みによってトンネルの長さがごくわずかに変化する。この変化は、陽子の直径の数千分の一という想像を絶する微小なもので、レーザー光の干渉パターンを精密に測定することで、その変化を捉えることができる仕組みだ。

今回のニュースで報じられた観測は、遠く離れた宇宙で二つの巨大なブラックホールが互いに螺旋を描きながら合体し、一つのさらに大きなブラックホールへと変化する際に放出された重力波を捉えたものだ。この合体イベントは、宇宙で発生する重力波の中でも特に強力なものの一つであり、検出器は非常に明瞭な信号を記録することができた。この貴重なデータは、合体するブラックホールの振る舞い、特に合体後の新しいブラックホールが落ち着くまでの様子や、その事象の地平線がどのように形成され、変化していったかについて詳細な情報を含んでいた。

解析の結果、観測された重力波の波形は、アインシュタインの一般相対性理論が予測するブラックホールの合体シミュレーションと驚くほど高い精度で一致した。これは、これまで様々な間接的な証拠によって裏付けられてきた一般相対性理論の正しさを、ブラックホールという極限的な環境下で改めて直接的に確証するものだ。さらに、ホーキングの事象の地平線面積定理についても、観測データは明確な裏付けを与えた。合体後のブラックホールの事象の地平線面積が、合体前の二つのブラックホールの事象の地平線面積の合計よりも小さくなることはなく、むしろ増加していることが確認されたのだ。これは、ホーキングの理論の重要な予測が、現実の宇宙現象において初めて直接的に観測され、実証されたことを意味する。

これらの成果は、「これまでで最も明確な見解」という表現が示す通り、重力波天文学がブラックホールの本質とその周りの時空構造に関する理解を、飛躍的に深化させたことを物語る。これまでの天文学が光や電磁波を使って宇宙を観測してきたのに対し、重力波は宇宙の全く新しい窓を開いたと言える。光では捉えられないブラックホール内部の事象や、宇宙の初期に発生した現象など、重力波はこれまで見ることができなかった宇宙の姿を明らかにする可能性を秘めている。

今回の観測で得られた高精度のデータは、アインシュタインとホーキングの理論の確実な基盤をさらに強固なものとしただけでなく、将来的な宇宙の謎解明に向けた大きな一歩となる。例えば、ブラックホールがどのように形成され、進化していくのか、宇宙に存在するダークマターやダークエネルギーといった未知の物質やエネルギーとの関連性など、重力波観測は現代物理学が抱える未解決問題の解明に新たな道筋をつけることだろう。今後、重力波検出器の感度向上や、さらなる観測データの蓄積によって、宇宙の極限環境で起こる現象がより詳細に理解され、私たちの宇宙観がさらに大きく塗り替えられる日が来ることも期待される。