電磁波や重力波などを観測することで、私たちはさまざまなメッセージを宇宙から受け取っています。アインシュタインの想像を超えて進化する技術とその歩みを、縣秀彦さんにうかがいます。（聞き手・坂田正已ディレクター）

【出演者】
縣：縣秀彦さん(国立天文台天文情報センター)

星からのメッセージ、光で400年・電波で100年

――今回のテーマは、「重力波とマルチメッセンジャー天文学」です。

縣：
坂田さんは直筆の手紙などは、最近、出されたりしますか？

――手紙、ですか……最近はめったになくなりましたね。

縣：
そういう方が増えていますよね。私もペンを握って字を書くことが少なくなって、だんだん字が書けなくなってきて自分でもびっくりしているんですが、誰かにメッセージを送りたい、コミュニケーションをとりたいとなると、以前ははがきや手紙、電話をかけるとかでしたよね。ところが皆さん、今はどうでしょう。そういったものを使われている方も多いと思いますが、特に若い人を中心にメールやLINE、インターネットのメッセージで送るとか、その手法が増えてきましたよね。

星からの情報は、昔から「天からの文を読む」というので「天文」といいますが、文、これはメッセージですよね。ですから私たち人間も、星からの情報・メッセージを宇宙から受け取って眺めるだけでなく、それがどういう意味なのか、何を伝えようとしているのかを解析してきたわけです。この宇宙からやってくるメッセージ、星からのメッセージは、100年ほど前までは光の情報のみでした。星の光ですね。たぶん皆さん、今、私が言っていることを聞いて、「それはそうだろう。夜空に見えるのは星の光だけだ」と思われると思うのですけど、天文や物理、理科の科目では、この光のことを「可視光線」と呼びます。可視光線・光というのは、およそ400年前に天体望遠鏡が発明されて、目で見る光よりもたくさんの、より暗いものまで見えるようになったとはいえ、本質的に宇宙から受け取るメッセージは可視光線、光の情報のみだったわけです。

――そうですね。それが長い間、続いてきたんですよね。でもやがてそこに電波のメッセージが加わりました。

縣：
そうですね。光の情報のみだと、きょうのテーマである「マルチメッセンジャー」ではないですね。まずその光にも、さまざまな種類があります。人間の目で見える光というのは光の中でもごくほんの一部で、見えない光もメッセージとして届いています。例えば虹の七色。赤い光の外側には目に見えないけれど赤外線、これは熱として感じますよね。それから紫よりも外側にも、見えないけれど紫外線。これは夏場など肌を露出していると日焼けしますから、何か来ているのはわかりますよね。何かしらエネルギーを持っている感じがします。

――色が変わるのですからね。

縣：
はい。さらに、赤外線よりも外側には電波という光も来ています。目には見えないけれど電波も光です。この電波や赤外線と目で見える光を区別するために、目で見える光を可視光線と呼んでいるわけです。そうなると、全部の呼び名が必要ですよね。

――そうなりますよね。

縣：
これを、「電磁波」と呼んでいます。電磁波で一番波長が長い光、電波は、だいたい100年前の1931年に、宇宙からのメッセージとして初めて捉えられました。アメリカのジャンスキーという研究者が、天の川の中心方向からやって来る電波を受信することに成功したんです。

――以前、縣さんに教わりましたが、ジャンスキーはベル研究所の技師で物理学者でもあったんですね。

縣：
はい。電波の強さの単位でジャンスキーというのが使われているくらいですから、一番大事な「電波天文学」の立ち上げをされた方です。これが、電波天文学の始まりです。その後、赤外線や紫外線も捉えられて、宇宙に望遠鏡が上がる時代、地球の大気圏の外側に行ける時代になりますと、紫外線よりも波長が短いX線も捉えられるようになりました。いわゆる電磁波全域で天体からやって来るメッセージを受け取って、研究するようになったんです。これを私たちは、「多波長天文学」と呼んでいます。波長が短いほうから、ガンマ線、X線、紫外線、可視光線、赤外線、電波がありますが、こうしたたくさんの波長でメッセージを受け取ることができるようになったという意味です。

大気の窓。横軸は波長で縦軸は地上高度。さまざまな波長の電磁波は大気による吸収のため、緑で示す領域の上端高度より下（地表に近いところ）には届かない （原図は芝井広氏による）

――波長の異なる電磁波が、それぞれ違うメッセージを持っているということですか？

縣：
そうです。見えるものが変わってきます。ただしよく考えてみますと、「マルチメッセージ」とはちょっと言いにくいですよね。なぜかと言うと、電磁波で受け取る宇宙からのメッセージというのは、（私たちのメッセージのやりとりに）例えてみると、インターネットのどのアプリで受け取るか、LINEにするかメッセンジャーにするかという程度の違いにすぎないです。波長の違いですから。

――ははぁ、「マルチ」にならないんですね。

縣：
はい。「マルチメッセンジャー天文学」というのは、電磁波以外のシグナルが、宇宙からのメッセージとして最近捉えられるようになりましたというお話なんです。

アインシュタインの想像を超えて重力波を検出

縣：
どんなメッセージが来ているかというと、まずは「重力波」です。これはあとで詳しく説明しますね。それから「ニュートリノ」。これは素粒子の１つです。とても軽くて小さいので、私たちの体も地球もどんどんすり抜けてしまいます。それから「宇宙線」。これは高エネルギーの粒子です。アルファ線やベータ線、高速でそういう粒子が飛んでくるのが宇宙線になります。重力波、ニュートリノ、宇宙線の中で特に注目されているのが、重力波ですよね。

――重力波という言葉、よく耳にするようになりました。

縣：
重力波というのは、宇宙空間を伝わってくる時空のゆがみのことなんです。と言ってもなかなかピンとこないと思いますが、アインシュタイン博士が1915年から1916年頃に予言しています。彼の一般相対性理論を突き詰めていくと、空間が時間と一緒になって、時空というふうに考えますよね。この時空というのは、重たいものがあるとそれによって沈む、ゆがんでしまうということなんです。例えば、地震波を考えると、地面の中でプレートとプレート、地面と地面がぶつかり合ってひずみが強くなって耐えられなくなってずれると、地面が揺れる。これが地震波です。宇宙空間の時空で何か重たいもの、「質量」という言葉がありますが、質量の大きなもの、重たいもの同士が変化しますと、もちろん目には見えないので普通の望遠鏡でも捉えられませんが、空間がひずみます。それが実は、時空がゆがんでいるということ。長さを測ってみると、その長さが変わっているということです。

――どういうときに重力波は発生するのですか？

縣：
重力波が発生するのはさまざまな原因が考えられますが、最近もっともよく見つかっているのはブラックホール同士が合体する場合の時空のゆがみです。重たい天体同士ですが、お互いに引っ張り合いますから、近づいていって合体しますと急に２つの質量が１つになって、大きな時空の変化を生むんです。

――なるほど。

縣：
あとは、「中性子星」という星がありますよね。わりと重ための星が、最後に超新星爆発を起こしたあとに中性子が主体となってできあがる星ですが、中性子だけが残ってあとはみんな無くなってしまうわけです。この中性子星同士がぶつかると、同じように時空のゆがみ、重力波ができることがわかっています。ブラックホールと中性子星でもいいんです。いろいろなケースで重力波が発生します。

――なるほど。今の３つの衝突、合体以外では、重力波は生じないということなんですか？

縣：
一番身近な例で言いますと、今、坂田さんが腕をぐるぐる振り回すだけでも重力波は発生します。

――えっ、そういうものなんですか!?

縣：
そうなんです。そのぐらいで重力波は発生しますが、考える必要がないくらい微弱です。とにかく、重たいものが移動、変化しますと、重力波は発生します。例えば宇宙の始まり、ビッグバンが起こる前には、時空が急激に膨張するインフレーションがないとうまく説明がつきません。証拠がまだ見つかっていないので仮説になっていますけれど、インフレーションが起こるとそれは巨大な時空のゆがみですから、重力波がやってきていることが期待できますでしょう？

――そうですね。

縣：
それから、銀河の中心にはブラックホールがあることが多いですよね。あれもどうしてできたのかよくわかっていないんですが、銀河と銀河が衝突して中心のブラックホール同士も合体すると、巨大な重力波を生み出すんじゃないでしょうか。あと先ほど言葉が出てきましたが、星の最後、超新星爆発すると急に星の質量が変わるわけですから、たぶん重力波が出てくるはずです。いずれにしろ、重力波の強さというのは極めて小さなゆがみ・ひずみなんです。最近になってよく検出されるようになったブラックホール同士の合体という現象も、ものすごい重力の変化なんですけど、これでも例えて言うと地球と太陽の距離の間で水素原子１個分が動く程度なんです。

――地球と太陽の間の距離というと、平均が１億5,000万kmぐらいですね。そこで、水素原子１個分？

縣：
水素原子１個というのは、10のマイナス10乗 mぐらいですよね。見ることもできないぐらい小さいですけど、そんなわずかな量を伸縮する程度の時空のゆがみを検出できるレベルまで、人類の科学はすでに進歩したということです。

――アインシュタインは、検出は難しいと考えていたといわれていますよね。

縣：
100年前は想像もしなかったと思います。理論上は重力波があるはずだけれど、あまりにも微弱なのでわれわれは気がつかないよねと、アインシュタインは思っていたはずです。

――ところが人類は、その重力波を捉えることができたんですね。

LIGO（Livingston）

縣：
そうなんです。2015年のことでした。人類は、重力波という宇宙からのメッセージを直接捉えることに成功しました。成功した装置は、アメリカの重力波検出器です。重力波望遠鏡と呼んでもいいんです。のぞくところはありませんが、われわれは検出器を望遠鏡とも呼んでいまして、これはLIGO（ライゴ）という名前です。われわれの天の川銀河ではなく遠く離れた銀河でブラックホール同士が合体したのを、１年近く解析して2016年２月に発表しました。ほぼ世界中の新聞の一面トップを飾り、2017年には主な３名の関係者がノーベル物理学賞を受賞しました。

重力波望遠鏡というのは、常に稼働しているわけではありません。真空の管に非常に高エネルギーのレーザーを飛ばしますが、LIGOの場合には、４kmの長さの直行する２本の真空の管の中で、ものすごく強いレーザーを飛ばしています。それをものすごい回数、往復させて、さっき言った地球・太陽間で水素１個分ぐらいの動きを検出するという高精度のものなので、常に観測しているわけではありません。LIGO は2015年の観測のあと、2017年に第２期の観測が行われましたが、このとき、マルチメッセンジャー天文学の夜明け、幕開けと呼ばれるような現象が起こりました。

――それはどんな現象ですか？

NGC4993で発生したキロノバ

縣：
それまではブラックホール同士の合体だったのですが、2017年の夏に検出した重力波の１つが、中性子星同士の合体だったんです。ブラックホール同士の合体だと、重力波は捉えますが、ブラックホールは光、電磁波を全く出しませんのでマルチのメッセージにならないじゃないですか。重力波のメッセージだけですよね。ところが中性子星というのは輝いていますから、ある瞬間までは合体しても輝いているわけです。しかも明るく輝きますよね。これは「キロノバ」といわれている現象で、もともと予言されていたのですが、それが実際に初めて見えたわけです。

つまり、重力波望遠鏡が、重力波のシグナルを捉えた。時空がゆがんだ。でも１つの重力波望遠鏡だけだと、それがどちらの方向から来たのかが全くわかりません。時空のゆがみが、特定の方向からやって来たのかどうかがわからないのです。あらゆる方向からやって来ても、ゆがみは検出されますから。

Virgoの写真

縣：
LIGOはもともと２台置いてありますが、このときはもう１つ、ヨーロッパでVirgo（バーゴ）という重力波望遠鏡が2017年から稼働していたので、アメリカにある２台のLIGOとヨーロッパのVirgo、この３つの重力波望遠鏡・検出器がありました。地球上の離れた場所で観測しますと、どの方向かがある程度特定できます。こちらの方向だよというアラート・警報をすぐに世界中の天文台に流しますと、大気圏の外にあってガンマ線やX線を捉える宇宙望遠鏡や地上の大型望遠鏡、ハッブル宇宙望遠鏡、今の時代だったらジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡も、そちらを向いて探して観測をするわけです。

このときは、すばる望遠鏡が極めて大きな働きをしました。すばる望遠鏡は広い視野を１度に撮れるカメラを持っていますので、キロノバがこの銀河のここで発生したという位置を確定して、それをいろいろな望遠鏡で詳しく調べました。このように重力波とその他の多波長天文学、さまざまな波長での観測天文学が協力して研究をするのが、マルチメッセンジャー天文学の一例といえるわけです。

共同観測に日本の重力波望遠鏡も参加

縣：
観測の第３期、2019年になりますと、いよいよ日本の重力波望遠鏡・KAGRA（カグラ）が使える状態になりました。2020年４月に２週間だけでしたが、LIGO、Virgoと共同観測ができました。

縣：
はい。KAGRAのある場所は、ご存じカミオカンデ、そして今はスーパーカミオカンデ、そしてハイパーカミオカンデ、さらに大きなニュートリノ検出器が建設中の神岡鉱山の地下です。ここに“腕”の長さ３kmの、直交する２つの真空の管があり、その中を何回もレーザーを往復させることによってわずかな時空のゆがみを捉えるというKAGRAができました。

コロナのまん延によって観測できない期間が続きましたが、ことし（2023年）５月25日から、共同観測第４期が始まりました。ただVirgoは不具合があって、本当に残念ですがまだ観測に参加できていません。LIGOは、たまに休んだりしますが順調に２台とも動いています。そしてKAGRAは５月から４週間、６月21日まで観測を続けて、今は観測を中断しています。これはどうしてかと言いますと、まだまだ感度が足りないんです。遠くの銀河で、先ほど言ったような非常に微弱な重力波を捉えるにはまだ不十分なので、感度を向上させるためのメンテナンス作業に入っています。

現在稼働しているのは２台のLIGOで、今年５月から、途中休みも入れながら大体20か月、２年弱ぐらいは観測する予定でいるようです。KAGRAも来年春には復帰を目指しています。Virgoも戻ってきますと感度の高い４基の重力波望遠鏡になりますので、どこから来たメッセージなのか、どこから来た重力波なのかが特定できます。“差出人”がわかるようなことになっていくと期待されています。

――楽しみですねぇ。縣さん、これまでの観測で、重力波はどのくらい確認できたんですか？

縣：
2015年、2017年、2019年、全部で90回、確実な重力波を捉えています。重力波が、星から来た、宇宙から来た情報によるゆがみかどうかの判断は、シグナル、ノイズが入りますから結構難しかったりしますので、確実なのは90回です。ほとんどがブラックホール同士の合体ですが、先ほど言ったように中性子星同士の合体、キロノバ、マルチメッセンジャーで全地球の観測網が動いたのは2017年８月の１回だけです。ただわずかですけれど、ブラックホールと中性子星の合体らしいものも見つかっているということです。

LIGOは本当にすごくて、2015年９月にメンテナンスが終わって観測を始めたら、すぐに重力波を捉えました。つまり感度が上がったからです。その前10年ぐらいは受かってないんですよ。今は、６億光年先でブラックホール同士が合体しても検出可能な感度を保っています。きょう現在も、第４期LIGOだけで40個を超えるメッセージを受け取っています。それっぽいものを含めると毎日のように何か信号が来ているぐらい、すばらしい観測レベルを保っています。VirgoとKAGRAにも頑張ってほしい、ということですよね。

“宇宙の時計”パルサーの観測で得る新方法

縣：
2017年夏に本格的なマルチメッセンジャー天文学が始動して、この方面の研究は急速に発展しています。今年は、重力波望遠鏡とは別の新たな重力波検出の仕組みが注目されています。「パルサータイミングアレイ」といいます。

――「パルサー」というのは、中性子星のことですよね。

縣：
はい。パルサーのP、タイミングのT、アレイのAでPTAともいいます。パルサーは電波を出しています。X線も出していますけど。ジョスリン・ベルというイギリスの女性天文学者が、大学院生の頃に電波で宇宙を調べていて非常に短い周期で変化する電波源を見つけました。これがパルサーで、そのあと中性子星であることがわかっています。パルサーは非常に規則正しくパルスを出します。“宇宙の灯台”という人もいますし、“宇宙の時計”という人もいて、非常に正確な時計なわけです。パルスの信号は極めて厳密です。ところが電波望遠鏡でさまざまなパルスを調べて10年後、20年後、30年後……と見ていくと、信号がずれている場合があります。それは時計が壊れているのではなくて、時計の信号、電波が伝わってくる時空がゆがんでいるわけです。

――ほほう、なるほど。

縣：
ですから、重力波でレーザーを飛ばさなくても時空を観測していれば、正確な時計さえあれば、「ずれたよ」とわかるわけです。「時間のずれ＝時空のずれ」なので、これがパルサータイミングアレイなのです。パルサータイミングアレイは、KAGRAが目指しているような中性子星同士やブラックホール同士の合体よりも振動数が少ない、もっとゆったりした重力波を見つける方法です。世界中で６つの研究グループが、世界中の電波望遠鏡を駆使して時計として非常に精度のいい中性子星を選んで長年観測していて、その結果が、ことし６月29日に４つの研究チームから発表になりました。日本からは熊本大学の高橋慶太郎さんたちの研究グループが参加していて、パルサータイミングアレイという方法で重力波がわかったという、初めての発表がありました。

ブラックホールの合体よりも非常にゆっくりとした長い周期の振動ですので、もっと重たいもの同士の現象っぽいですよね。銀河と銀河が衝突する時、銀河の中心の普通のブラックホールとは桁が何桁も違うものすごい質量を持った超巨大ブラックホール同士が合体する時に起こったものを見ている可能性もあるし、インフレーションによって宇宙が膨張した重力波による背景放射みたいなものを見ているという人もいます。基本的には今のところ前者のほうが可能性が高いといわれていますが、わかりませんね。まだまだノイズが大きいので長い時間をかけて観測すると同時に、もっと感度のいい電波干渉計が必要です。これは、現在、南アフリカ共和国とオーストラリアで建設していて、日本の研究グループも協力関係を持っているSKAという電波干渉計が完成しますと、パルサータイミングアレイによって、宇宙に残された重要な謎解きに大きく寄与することは間違いないと思われます。

――「重力波とマルチメッセンジャー天文学」、縣さん、ありがとうございました。

縣：
ありがとうございました。

【放送】
2023/10/23　「ラジオ深夜便」