欧州宇宙機関の科学プログラム委員会は、レーザー干渉計宇宙アンテナ（Laser Interferometer Space Antenna: LISA）プロジェクトにゴーサインを出した。これにより、早ければ1年後に3つの宇宙船の建設が開始されることになる。この干渉計は、重力波を初めて検出した地上のLIGO（レーザー干渉計重力波天文台）実験と基本原理は同じだが、ハードウェアは250万キロ離れて設置されるため、これまでとは大きく異なる精度で、宇宙の微かなさざ波を捉えることが出来るという。

ただし、実際にLISAによる観測が開始されるのは少なくともまだ10年は先の話だ。このミッションは、2035年頃に次世代ロケット「アリアン6」で打ち上げられる予定である。

かつてない重力波を検出するLISAミッション

LISAミッションは、ESAによって行われる最も野心的なプロジェクトとなり、また最も高額になる可能性が高い。

既存の重力波検出器は、離れた鏡の間でレーザーを往復させてから再結合させ、干渉パターンを生成している。大型トラックの騒音から重力波の通過まで、鏡の位置を変えるものは何でも干渉パターンを変えてしまう。遠方に検出器を設置することで、局地的なノイズを排除し、天文学的事象を検出することができる。

これまでに地球上に建設された検出器は、中性子星やブラックホールのようなコンパクトな天体の合体によって発生する重力波を拾うことに成功している。しかし、検出器のサイズが比較的コンパクトであるため、合体が起こる前の最後の数秒間にしか発生しない高周波の重力波しかとらえることができない。

より多くのプロセスを捉えるには、低周波の重力波を検出する必要がある。そのためには、干渉計のミラー間の距離をできるだけ大きくとり、地球の地震ノイズから逃れる必要がある。そのため宇宙に行く必要があるのだ。

LISAは、複数の宇宙船からなる「コンステレーション」で構成され、それぞれの宇宙船は、太陽系を引き裂く塵や宇宙線の揺れを吸収し、250万kmまで届く強力なレーザーを駆動する。また、レーザー光を集光するための望遠鏡も搭載される。3つの宇宙船は、地球を追って太陽の周りを回る際に三角形を形成し、宇宙空間で正確な正三角形を作ることができる。それぞれの探査機は250万キロ離れており、これは地球と月の距離の6倍以上である。

「LISAはこれまでにない試みです。超新星爆発や超高密度星と恒星質量ブラックホールの合体など、星サイズの天体が関与する事象から発生する重力波を、数キロメートルの距離でレーザービームを使って地上の観測装置が検出することができるのです」と、LISAプロジェクトの主任科学者であるNora Lützgendorf氏はESAの投稿で説明している。

この三角形を使って検出された動きは、科学者が時空の波紋を分析することを可能にする。正確には、宇宙船は標準的なルービックキューブよりわずかに小さい、自由に浮遊する金プラチナ製の立方体のペアを使用する。時空のさざ波は、別々の宇宙船の質量間の距離に小さな変化を引き起こす。この変化はレーザー干渉計を使って測定される。

SFのように聞こえるかもしれないが、ESAはすでにこの技術をテストするためのミッションを行い、計画の20倍の性能を発揮し、LISAに必要な感度の3倍を実証している。

重力波としても知られる時空のさざ波は、宇宙で起こることが知られている最も劇的な出来事のいくつかによって作られる。ブラックホールや中性子星の合体などである。

重力波は、100年以上前にAlbert Einsteinによって初めて予言された。Einsteinは、巨大な物体が空間内で急激に動くと、時空の構造が変化すると書いた。

この波紋は光速で伝播し、初期宇宙や宇宙で起こる最も激しく混沌とした出来事について多くのことを教えてくれる。

重力波が初めて検出されたのは、つい最近の2015年、アメリカのLIGOである。しかし、宇宙からの重力波を検出するために設計された宇宙観測所であるLISAによって、この現象についてさらに多くのことが明らかになると期待されている。

「LISAのレーザー信号が移動する膨大な距離と、その装置の優れた安定性のおかげで、私たちは地球上で可能なよりも低い周波数の重力波を探査し、太古の夜明けまでさかのぼる、異なるスケールの出来事を明らかにするでしょう」とLützgendorf氏は付け加えた。

おそらく最もエキサイティングな展望は、LISAがビッグバンの直後に形成された初期の重力ゆらぎを拾える可能性があるということだ。これは、宇宙マイクロ波背景とは完全に独立した、宇宙の初期の歴史に対する新しい視点を提供する可能性を秘めている。

LISAプロジェクト科学者のOliver Jennrich氏は、「何世紀もの間、私たちは光を捉えることで宇宙を研究してきました。これを重力波の検出と組み合わせることで、宇宙に対する我々の認識にまったく新しい次元がもたらされます。これまでの天体物理学ミッションで、私たちはサイレント映画のように宇宙を見てきたと想像すると、LISAで時空の波紋を捉えることは、映画に音声が追加されたときのような、本当のゲームチェンジャーになるでしょう」と、述べている。

Sources

• ESA: Capturing the ripples of spacetime: LISA gets go-ahead