TED日本語 - アラン・アダムス: 重力波発見が意味すること



TED日本語 - アラン・アダムス: 重力波発見が意味すること

TED Talks

What the discovery of gravitational waves means
Allan Adams


10億年以上前、彼方の銀河にある2つのブラックホールが逃れようのない螺旋運動に捉えられ、互いに引き寄せ合って衝突しました。理論物理学者アラン・アダムスは言います。「そのエネルギーのすべてが時空自体に取り込まれ、宇宙を重力の波で振るわせることになりました」。25年ほど前、科学者のグループがそのような重力波を見つけようとLIGO (ライゴ) と呼ばれる巨大なレーザー検出器を構築しましたが、予想されていた波はこれまで観測されませんでした。この圧倒されるような講演でアダムスが、物理学史上最も画期的な発見に繋がる想像もつかないほど微かな変化を、2015年9月にLIGOが捉えたとき何が起きていたのか解説してくれます。


1.3 billion years ago, in a distant, distant galaxy,two black holes locked into a spiral, falling inexorably towards each other and collided, converting three Suns' worth of stuff into pure energy in a tenth of a second. For that brief moment in time, the glow was brighter than all the stars in all the galaxies in all of the known Universe. It was a very big bang.

But they didn't release their energy in light. I mean, you know, they're black holes. All that energy was pumped into the fabric of space and time itself, making the Universe explode in gravitational waves.

Let me give you a sense of the timescale at work here. 1.3 billion years ago, Earth had just managed to evolve multicellular life. Since then, Earth has made and evolved corals, fish, plants, dinosaurs, people and even -- God save us -- the Internet. And about 25 years ago, a particularly audacious set of people -- Rai Weiss at MIT, Kip Thorne and Ronald Drever at Caltech -- decided that it would be really neat to build a giant laser detector with which to search for the gravitational waves from things like colliding black holes.

Now, most people thought they were nuts. But enough people realized that they were brilliant nuts that the US National Science Foundation decided to fund their crazy idea. So after decades of development, construction and imagination and a breathtaking amount of hard work, they built their detector, called LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

For the last several years, LIGO's been undergoing a huge expansion in its accuracy, a tremendous improvement in its detection ability. It's now called Advanced LIGO as a result.

In early September of 2015, LIGO turned on for a final test run while they sorted out a few lingering details. And on September 14 of 2015, just days after the detector had gone live, the gravitational waves from those colliding black holes passed through the Earth. And they passed through you and me. And they passed through the detector.

(Audio) Scott Hughes: There's two moments in my life more emotionally intense than that. One is the birth of my daughter. The other is when I had to say goodbye to my father when he was terminally ill. You know, it was the payoff of my career, basically. Everything I'd been working on -- it's no longer science fiction! (Laughs)

Allan Adams: So that's my very good friend and collaborator, Scott Hughes, a theoretical physicist at MIT, who has been studying gravitational waves from black holes and the signals that they could impart on observatories like LIGO, for the past 23 years.

So let me take a moment to tell you what I mean by a gravitational wave. A gravitational wave is a ripple in the shape of space and time. As the wave passes by, it stretches space and everything in it in one direction, and compresses it in the other. This has led to countless instructors of general relativity doing a really silly dance to demonstrate in their classes on general relativity. "It stretches and expands, it stretches and expands."

So the trouble with gravitational waves is that they're very weak; they're preposterously weak. For example, the waves that hit us on September 14 -- and yes, every single one of you stretched and compressed under the action of that wave -- when the waves hit, they stretched the average person by one part in 10 to the 21. That's a decimal place,20 zeroes, and a one. That's why everyone thought the LIGO people were nuts. Even with a laser detector five kilometers long -- and that's already crazy -- they would have to measure the length of those detectors to less than one thousandth of the radius of the nucleus of an atom. And that's preposterous.

So towards the end of his classic text on gravity, LIGO co-founder Kip Thorne described the hunt for gravitational waves as follows: He said, "The technical difficulties to be surmounted in constructing such detectors are enormous. But physicists are ingenious, and with the support of a broad lay public, all obstacles will surely be overcome." Thorne published that in 1973,42 years before he succeeded.

Now, coming back to LIGO, Scott likes to say that LIGO acts like an ear more than it does like an eye. I want to explain what that means. Visible light has a wavelength, a size, that's much smaller than the things around you, the features on people's faces, the size of your cell phone. And that's really useful, because it lets you make an image or a map of the things around you, by looking at the light coming from different spots in the scene about you.

Sound is different. Audible sound has a wavelength that can be up to 50 feet long. And that makes it really difficult -- in fact, in practical purposes, impossible -- to make an image of something you really care about. Your child's face. Instead, we use sound to listen for features like pitch and tone and rhythm and volume to infer a story behind the sounds. That's Alice talking. That's Bob interrupting. Silly Bob.

So, the same is true of gravitational waves. We can't use them to make simple images of things out in the Universe. But by listening to changes in the amplitude and frequency of those waves, we can hear the story that those waves are telling. And at least for LIGO, the frequencies that it can hear are in the audio band. So if we convert the wave patterns into pressure waves and air, into sound, we can literally hear the Universe speaking to us. For example, listening to gravity, just in this way, can tell us a lot about the collision of two black holes, something my colleague Scott has spent an awful lot of time thinking about.

(Audio) SH: If the two black holes are non-spinning, you get a very simple chirp: whoop! If the two bodies are spinning very rapidly, I have that same chirp, but with a modulation on top of it, so it kind of goes: whir, whir, whir! It's sort of the vocabulary of spin imprinted on this waveform.

AA: So on September 14,2015, a date that's definitely going to live in my memory, LIGO heard this:

[ Whirring sound ]

So if you know how to listen, that is the sound of --

(Audio) SH: ... two black holes, each of about 30 solar masses, that were whirling around at a rate comparable to what goes on in your blender.

AA: It's worth pausing here to think about what that means. Two black holes, the densest thing in the Universe,one with a mass of 29 Suns and one with a mass of 36 Suns, whirling around each other 100 times per second before they collide. Just imagine the power of that. It's fantastic. And we know it because we heard it.

That's the lasting importance of LIGO. It's an entirely new way to observe the Universe that we've never had before. It's a way that lets us hear the Universe and hear the invisible.

And there's a lot out there that we can't see -- in practice or even in principle. So supernova, for example: I would love to know why very massive stars explode in supernovae. They're very useful; we've learned a lot about the Universe from them. The problem is, all the interesting physics happens in the core, and the core is hidden behind thousands of kilometers of iron and carbon and silicon. We'll never see through it, it's opaque to light. Gravitational waves go through iron as if it were glass -- totally transparent. The Big Bang: I would love to be able to explore the first few moments of the Universe, but we'll never see them, because the Big Bang itself is obscured by its own afterglow. With gravitational waves, we should be able to see all the way back to the beginning. Perhaps most importantly, I'm positive that there are things out there that we've never seen that we may never be able to see and that we haven't even imagined -- things that we'll only discover by listening.

And in fact, even in that very first event, LIGO found things that we didn't expect. Here's my colleague and one of the key members of the LIGO collaboration, Matt Evans, my colleague at MIT, addressing exactly that:

(Audio) Matt Evans: The kinds of stars which produce the black holes that we observed here are the dinosaurs of the Universe. They're these massive things that are old, from prehistoric times, and the black holes are kind of like the dinosaur bones with which we do this archeology. So it lets us really get a whole nother angle on what's out there in the Universe and how the stars came to be, and in the end, of course, how we came to be out of this whole mess.

AA: Our challenge now is to be as audacious as possible. Thanks to LIGO, we know how to build exquisite detectors that can listen to the Universe, to the rustle and the chirp of the cosmos. Our job is to dream up and build new observatories -- a whole new generation of observatories -- on the ground, in space. I mean, what could be more glorious than listening to the Big Bang itself? Our job now is to dream big. Dream with us.

Thank you.


遠い13億年の昔 はるか彼方の銀河系で 2つのブラックホールが 逃れようのない 螺旋運動に捉えられ 引き寄せ合って 衝突しました 太陽3つ分の物質が コンマ1秒の間に 純粋なエネルギーへと変わりました その瞬間 既知の宇宙の すべての銀河の 星を合わせたよりも 明るい輝きを 放ちました とてつもなく 大きな 爆発です

しかしブラックホールですから エネルギーが光として解放された わけではありません すべてのエネルギーが 時空そのものに取り込まれ 宇宙を重力波で 振るわせることになりました

ここで話している時間の規模を 確認しておきましょう 13億年前というと 地球ではようやく 多細胞生物が現れた頃です それ以降 地球には 珊瑚礁や魚や植物や恐竜や人間や さらにはインターネットまで現れました そして25年前には とりわけ野心的な人々 MITのレイナー・ワイス カリフォルニア工科大のキップ・ソーンや ロナルド・ドレーバーたちが ブラックホールの 衝突などで生じる 重力波を検出する 巨大なレーザー検出器を 作ったらいいんじゃないかと 思い立ちました

多くの人は常識外れな連中だと 思いましたが それを 卓越した常識破りだと 認める人もたくさんいて 米国立科学財団が このぶっ飛んだアイデアに 研究費を出すことにしました そして数十年におよぶ 構想 開発 建設 驚異的な努力の末に 完成させました その名も LIGO(ライゴ) レーザー干渉計 重力波観測所です

この数年間に LIGOは精度を 大幅に上げて 検出能力を飛躍的に高め これは改良型LIGOと 呼ばれています

2015年9月初め LIGOは残っていた 細かな調整をしつつ 最終試運転のため 稼働を始めました そして2015年9月14日 検出器が稼働を始めて ほんの数日後 あのブラックホール衝突からの 重力波が 地球を通り過ぎました 私や皆さんの体を通り抜け そしてLIGOの検出器を 通り抜けました

(スコット・ヒューズの声)人生で これ以上に心動かされた体験は 2度しかありません 娘が生まれたときと ― 病床の父にお別れを 言わなければならなかったときです これは自分の全仕事人生における クライマックスでした オレがこれまでずっとやってきたものは もう空想科学じゃないんだって!

(講演者)これは私の親友であり 共同研究者でもある スコット・ヒューズ MITの理論物理学者です 彼はブラックホールからの 重力波や LIGOのような観測施設で 検出しうる信号を 23年に渡って 研究してきました

ここで重力波とは何かを 少しお話ししておきましょう 重力波というのは 時空の形に現れる 波紋のようなものです 波が通るとき 空間と その中の あらゆるものが 同じ1つの方向に 引き延ばされ 他の方向に 押し縮められます お陰で一般相対性理論を 教える教師は 教室でおかしなダンスを する羽目になります 「伸びて 広がる 伸びて 広がる」

問題は 重力波が 極めて弱いということです 馬鹿げているくらいに 弱いんです たとえば 9月14日の重力波は ― そう ここにいる全員が 重力波が来た時 引き延ばされ 圧縮されたんですよ ― 伸縮の大きさは 平均的な人で 10の21乗分の1ほどです これは小数点の後に 0が20個続いて 1が来るという数字です だからこそ みんなLIGOに取り組む人々を どうかしていると思ったんです 5kmの長さのレーザー検出器を使っても ― これだけで十分クレージーですが 検出器の長さを 原子核の半径の 千分の1以下という精度で 測らなければならないんです 途方もない話です

重力論の有名な教科書の 終わりの方で LIGOの設立者の1人である キップ・ソーンが 重力波検出の難しさについて こう語っています 「そのような検出器を 構築するためには 技術的に膨大な困難を 乗り越える必要があります しかし物理学者には 独創性があります 広く一般の人々からの 支援があれば どんな困難も 乗り越えられるでしょう」 ソーンはこれを1973年 成功の42年も前に 書いていたのです

LIGOに話を戻すと スコットが よく言っているように LIGOは 目よりは 耳に近いものです どういうことかと言うと 可視光の場合 波長は 身の回りにある物 ― 人の顔かたちや 携帯電話なんかより はるかに小さなものです これはとても有り難いことで いろんな所から来る 光を見るだけで 身の回りの物について イメージや地図のようなものを 構成できます

音だと話が違います 可聴音の波長は 15mにもなり得ます そのため音で 子供の顔のような 関心ある物の形を 捉えるというのは 非常に難しく 実用的に不可能です その代わり 音の場合には 高さや 音色や リズムや 大きさに耳を傾けることで 音の背後にある物語を 推測します アリスが話しているな ボブが遮った バカなやつ

重力波も同じです 重力波で宇宙にある物の形を 単純に描き出すことはできません しかし波の大きさや 振動数の変化に 耳を傾けることで 波の語っている物語を 聞き取ることができます LIGOの場合 捉えられる振動数は 可聴帯域です だから波のパターンを 空気の圧力波である音に変換すれば 宇宙が語っていることを 文字通り聞くことができます たとえば重力に 耳を傾けることで ブラックホールの衝突について 分かることが 沢山あります 私の同僚のスコットが 多くの時間を 考えて過ごしてきたことです

(スコットの声)2つのブラックホールが 回転していない場合 音は単純です 「ウゥーップ!」 2つのブラックホールが高速に 回り合っている場合 音は似ていますが それに抑揚が加わって こんな感じになります 「ウゥッウゥッウゥッ」 波形に回転の言葉が 刻まれているようなものです

(講演者)2015年9月14日 ― この日は 私の記憶に ずっと残り続けるでしょう LIGOが こんな音を捉えました


聞く者が聞けば この音は紛れもなく ―

(スコットの声)それぞれ 太陽30個分ほどの質量がある 2つのブラックホールが ミキサーなみの速さで 回転し合っています

(講演者)この意味することを ちょっと考えてみましょう ブラックホールは宇宙で 最も密度が高い存在です 一方は太陽29個分 もう一方は 太陽36個分の質量があり 衝突の直前には 毎秒100回転という速さで 互いに回り合っていました それがどれほどの力か 想像してみてください すごいものです そして我々が それを知ったのは 聞くことによってなのです

ここに LIGOの 揺るぎない価値があります 宇宙を観測するかつてない まったく新しい方法なんです 宇宙の目に見えない部分を 聞けるようにしてくれる 方法なんです

事実上であれ 本質的にであれ 目に見えないものは 沢山あります たとえば超新星です 重い星がどうして爆発して超新星になるのか 是非知りたいところです 超新星からは 宇宙について 多くのことを学べます 問題は 興味深い物理現象は 核の部分で起きており 核は何千キロもの 鉄や炭素やケイ素に 覆い隠されている ということです 光を通さず 見通すことはできません でも重力波なら 鉄だろうと ガラスか何かのように 通り抜けられます それにビッグバン 宇宙誕生直後のことを 探求できればと思いますが それを見ることは 決してできません ビッグバン自体は その残光に 包み隠されているからです 重力波なら 原初の時に遡って 見ることができるはずです 何より重要なのは 私たちが決して 見たことがなく 見ることもできず 想像したことすら ないけれど 聞くことによってのみ 発見できるものが きっとあるということです

実際 あの最初の出来事において LIGOは我々の予期しなかったものを 発見しました 私の同僚で LIGO共同研究の 主要メンバーである MITのマット・エヴァンズが まさにそのことを語っています

(マット・エヴァンズの声)ここで我々が観測している ブラックホールを作った星は いわば宇宙の 恐竜のような存在です とても大きく古い 太古の存在で あのブラックホールは 古生物学者が研究する 恐竜の骨のようなものです 宇宙には何があり 星はどのように生まれ その混沌の中からどうやって 我々が生まれるに到ったのか まったく違った視点を 与えてくれるんです

(講演者)我々の挑戦は今や これ以上なく 野心的なものになりました LIGOのお陰で 宇宙の そよぎや さえずりを 聴くことのできる 精巧な検出器の作り方が 分かりました 我々の仕事は 新たな観測所を 構想し建設することです まったく新世代の観測所を 地上に 宇宙に作るのです ビッグバンそのものに耳を傾ける以上に 壮麗なことが他にあるでしょうか? 大きな夢を抱くことが 私たちの仕事です 一緒に夢を抱きましょう



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