Transcript 重力波で - LIGO

Listening to the Universe
through Einstein’s
Waves
Stan Whitcomb
Caltech
The Universe, unveiled by Gravitational Waves
30 May 2009
1
アインシュタインの重力波で聴く
宇宙の調べ
スタン ウイットコム
山本博章
カリフォルニア工科大学
重力波で探る宇宙
平成２１年５月３０日
2
Newton’s Theory
of Gravity
(1686)
3
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
『自然哲学の数学的諸原理』
4
Newton’s Theory
of Gravity
(1686)
 Equal and opposite
forces between pairs of
bodies
5
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
 ２つの物質が
同じ力で引き合う
6
Newton’s Theory
of Gravity
(1686)
 Extremely successful
theory
 Solved most known
problems of astronomy
and terrestrial physics
» eccentric orbits of comets
» tides and their variations
» the perturbation of the
motion of the moon by
gravity of the sun
 Unified the work of
Galileo, Copernicus and
Kepler
7
ニュートンの
万有引力の法則
(1686)
 非常に成功した理論
 地上及び天体の当時の問
題をほとんど説明した
» 彗星の離心軌道
» 潮の干満
» 月の軌道の太陽の重力によ
る摂動
 ガリレオ、コペルニクス、ケ
プラーの仕事の集大成
8
However, One Unexplained Fact
and Two Mysteries
Astronomers observed
perihelion of Mercury
advances by 43”/century
compared to Newton’s
theory
What causes the mysterious force in
Newton’s theory ?
How can a body know the instantaneous
positions of all the other bodies in the
Universe?
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しかし、説明出来ない事が１つと
不可解な事が２つ残った
観測された水星の近日点移動が
ニュートンの理論の計算値より
４３秒早かった
ニュートンの万有引力はどうして起こるのか?
なぜ、重力が瞬間的に伝わるのか?
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General Relativity
A Radical Idea
 Overthrew the 19thcentury concepts of
absolute space and time
 Spacetime = 3 spatial
dimensions + time
 Perception of space and
time is relative
AIP Emilio Segrè Visual Archives
11
一般相対性理論
革命的な発想
 １９世紀の、時間と空間が別
々で絶対的だ、
という考えを捨て去る
 時空 = 空間三次元 ＋ 時間
 時間と空間の概念は相対的
AIP Emilio Segrè Visual Archives
12
General Relativity
A Radical Idea
 Gravity is not a force, but a property of space &
time
 Concentrations of mass or energy distort (warp)
spacetime
 Objects follow
shortest path
through this
A
B
warped spacetime
 Explained the
precession of
Mercury
13
一般相対性理論
革命的な発想




重力は力ではなく、時空の性質
質量、即ちエネルギーが局在すると時空が歪む
物質は、この歪んだ時空の最短距離を取る様に運動する
水星の近日点移動を説明
A
B
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A New Prediction of
Einstein’s Theory
The path of light will
be “bent” when it
passes near a massive
object (like the sun)
© Royal Astronomical Society
Inversely proportional to angle
between sun and star
Could only be done during eclipse
15
アインシュタイン理論の
新しい予言
光は、太陽の様な重い物
体の側を通ると曲げられ
る
本当の星の位置
地球
見かけ上の星の
位置
地球
太陽
© Royal Astronomical Society
太陽と星の間の角度に逆比例
日食の時にのみ、観測出来る
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Confirming Einstein ….
 Famous British astronomer Sir Arthur
Eddington led an expedition to
photograph the solar eclipse of
29 May 1919 against Hyades star cluster
Measured
Deflection
© Science Museum/Science and Society Picture Library
No Deflection
0
“Newtonian”
0.87”
Einstein
1.75”
Principe
1.61” ± 0.30”
Sobral
1.98” ± 0.12”
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アインシュタインの予言の確証….
 イギリスの著名な天文学者、アーサー・エディ
ントン卿は、１９１９年５月２９日の皆既日食の
時、ヒヤデス星団を撮影する為に遠征した
観測された
偏差
© Science Museum/Science and Society Picture Library
偏差が無い場合
0
ニュートンの予測
0.87秒
アインシュタイン
1.75秒
プリンシペ島
1.61 ± 0.30秒
ソブラル
1.98 ± 0.12秒
18
Stunning Confirmation
for Relativity
London Times, 6 November 1919
Illustrated London News 22 Nov 1919
19
相対性理論の
素晴らしい検証
科学の革命
宇宙の新理論
ニュートンの考えが覆される
London Times,１９１９年１１月６日
6 November 1919
ロンドンタイムズ
Illustrated London News 22 Nov 1919
20
A New Prediction:
Gravitational Waves
Photograph by Yousuf Karsh of Ottawa,
courtesy AIP Emilio Segre Visual Archives
Ripples in spacetime
moving at the
speed of light
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新しい予言：
重力波
オタワのユーサフ・カーシュ撮影
提供 AIP Emilio Segre Visual Archives
光の速度で伝わる
時空のさざ波
22
No Evidence For
T
Gravitational
Waves
h
e
Until 1974
Russell A. Hulse
Discovered and Studied
Pulsar System
PSR 1913 + 16
Source: www.NSF.gov
23
Joseph H.Taylor
Jr
重力波の痕跡は
T
１９７４年まで無かった
h
e
ラッセル A. ハルス
二重パルサー
PSR 1913 + 16
を発見し研究
Source: www.NSF.gov
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ジョゼフ H.テイラー
Jr
Neutron Binary System
PSR 1913 + 16
Similar mass to our sun
but only 20 km in diameter
17 / sec


~ 8 hr
Two Neutron Stars in Orbit
• Separated by 1,000,000 km
Prediction from General Relativity
• Spiral in by 3 mm/orbit
• Rate of change orbital period
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中性子星 連星
PSR 1913 + 16
我々の太陽と同じ位の重さだが
直径がたったの２０キロメートル
17 / sec


~ 8 hr
２つの中性子星が軌道上を運動している
•100万 km離れている
一般相対論の予測
• 一周あたり３ｍｍ落ち込む
• 軌道周期の変化率
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Nobel Prize
No GWs
Advance of Orbit (seconds)
Evidence for
gravitational
waves!
General
Relativity
Prediction
Year
27
重力波の証拠!
ノーベル賞
軌道周期の変化（秒）
of Orbit (seconds)
Advance
No GWs
軌道周期の変化の観測値
と一般相対論による計算値
の比較
General
Relativity
Prediction
一般相対論の予測
Year
年
28
Effect of a Passing
Gravitational Wave
 Imagine a circle of
masses in space
 Free from all
disturbances,
except a
gravitational wave
29
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 空間の円周上に物質
があるとする
 何の力も受けず、重力
波の影響だけ受けると
する
30
Effect of a Passing
Gravitational Wave
 Gravitational wave
traveling into the
picture
 Change in
separation (DL)
proportional to
initial separation (L)
31
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 重力波がこの面内に入
って行くとする
 物体間の
距離の変化（ｄL)は
最初の距離（L)
に比例する
32
Sources of Gravitational Waves
33
重力波の源
34
Requirements for Strong
Gravitational Wave Sources
 (Almost) all moving masses produce
gravitational waves
 But!
 Strong waves require:
Large Masses
Fast motions (large accelerations)
 All measurable gravitational wave
sources will be astronomical
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強い重力波を出す為の条件
 ほとんどどんな物でも、運動する物は重力波を
出す
 しかし!
 強い重力波を出すためには:
大きな質量
速い運動(大きな加速度)
 観測可能な重力波の源は宇宙の規模
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Binary Neutron Stars
 Systems like the Hulse-Taylor Binary Pulsar
 Losing energy as they radiate gravitational
waves
 Spiralling together
» Slowly at first
» Faster and faster
as the two neutron
stars move toward
each other
» Finally, crash
together
and merge
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中性子星 連星
 ハルス、テイラーの連星パルサーの様な系
 エネルギーを重力波の放出で失う
 互いにらせん状に運動し落ち込む
» 最初はゆっくり
» ２つの中性子星間の
距離が縮まるにつれ、
早くなる
» 最後に衝突して合体する
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Binary Neutron Stars
 Gravitational waves tell us the story of the
inspiral
» Slow frequencies at first, then increasing
» Slowly growing amplitude
 Masses of each star,
orbit,
location,
distance
 Final stages
last about
1 minute
39
中性子星 連星
 重力波で、らせん運動の時、何が起こっている
か知る事が出来る
» 最初ゆっくりした周期で、それが早くなってゆく
» ゆっくりと振幅が大きくなる
 各々の星の質量,
軌道,
場所,
距離
 最後の瞬間は
一分ぐらい
40
Black Holes
 Maybe there are binary systems with two
black holes instead of neutron stars
» Formed from very massive binary stars?
» Evidence of such systems
 Would be very strong
sources of
gravitational waves
 No way to observe
black holes except
through gravitational
waves
41
ブラックホール
 中性子星の代わりに、ブラックホールが対にな
っている連星もあるだろう
» 非常に重い星からなる連星?
» その様な系の証拠
 非常に強い重力波源
 重力波が、ブラックホール
を探る唯一の手立て
42
Black Hole Collisions
 Black holes are one of the simplest
objects in the universe yet one of the most
enigmatic
» Completely described by three numbers
Mass
Spin
Charge
 Gravitational waves
probe to the very
edge of the black
hole
43
ブラックホールの衝突
 ブラックホールはこの宇宙の中で
非常に単純な構造を持った物の１つだが、
同時に最も謎に満ちた物でもある
» 完全に次の３つの数で表される
質量
螺旋運動
スピン(回転数）
電荷
合体
収束
 重力波は、
ブラックホールの
ぎりぎりの所まで
探る事が出来る。
44
Supernova: One of the Most
Energetic Events in our Universe
100,000,000,000 stars
One supernova
 Massive star (>~7 times
the mass of our sun)
‘burns’ all its hydrogen
 Grows to become a Red
Giant as its ‘burns’ its
remaining fuel
 Core collapses to form
neutron star
 Collapsing material
bounces and blows off
outer regions of star
 As bright as an entire
galaxy for a few days
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超新星: 我々の宇宙で起こる、
もっともエネルギッシュな出来事の１つ
 太陽の７倍以上の質量を持つ
星が、その全ての水素を燃や
し尽くす
 残りの燃料を燃やし尽くす過
程で赤色巨星となる
 芯が潰れて中性子星となる
 潰れていく過程で、星の外の
方が弾き出される
 ２〜３日、銀河系全体と同じ
位の明るさを持つ
１０００億の星と１個の超新星
46
Gravitational Waves from a Supernova?
 Visible supernova is spectacular, but it tells us
little about what is causing the explosion
 Rapid motion
» Core collapses is very rapid (much less than 1
second)
 Massive star
 Meets all the
criteria for strong
gravitational
waves
Simulation: Ott 2006, Ott et al. 2007
Visualization: R. Kaehler, Zuse
Institute/AEI
47
超新星からの重力波?
 超新星からの光の眺めは素晴らしいが、
それだけではその原因はあまり分からない
 超高速運動
» 核の崩壊は非常に急激(一秒よりはるかに短い)
 重い星
 強い重力波を
出す為の条件を
全て備えている
Simulation: Ott 2006, Ott et al. 2007
Visualization: R. Kaehler, Zuse
Institute/AEI
48
Spinning Neutron Stars (Pulsars)
 Neutron stars are the remnants of many supernovas
 Typically 1.4 times as massive as the sun, but only
20 km in diameter
 Rapidly rotating with huge magnetic field (1 billion
times stronger than any field on earth)
 Produce very regular pulses of radio energy
 Small “mountain” (~3 mm)
or other imperfection
would cause pure
sinusoidal tone of
gravitational waves
49
回転する中性子星(パルサー)
 中性子星は超新星のなれの果て
 太陽の約１．４倍の重さだが、直径はたったの２０ｋｍ
 磁場の強さは、地上の一番強い磁場の１０億であり、
高速で回転している
 ラジオの波長の非常に周期的な電磁波を出す
 ３ｍｍ位のでっぱりか似た様な
でこぼこがあれば、 綺麗な正
弦波的な重力波を放出する。
50
‘Murmurs’ from the Big Bang
signals from the early universe
Cosmic
microwave background
51
ビッグバンの名残の‘雑音’
宇宙の初期のシグナル
今の地
球
１００億年
１秒
１０万年
Cosmic
宇宙マイクロ波
microwave
background
背景放射
52
‘Murmurs’ from the Big Bang
signals from the early universe
More from Professor Sato
53
ビッグバンの名残の‘雑音’
宇宙の初期のシグナル
佐藤教授のお話に続く
54
Detecting Gravitational Waves
55
重力波の検出
56
Effect of a Passing
Gravitational Wave
 Most important
quantities to
describe the wave:
Strength (DL/L)
Frequency
57
重力波が通り過ぎる時、
何がおきるか
 重力波を記述する一番
大切な量:
強度(DL/L)
周期
58
Detecting a Gravitational
Wave with Light
Michelson
Interferometer
I have greatly exaggerated the effect!!
Strength (DL/L) of a strong wave is about 10-21
For L = 1 km, => DL = 10-18 m
59
光を使った重力波の検出
マイケルソン
干渉計
極端に効果を誇張しています!!
非常に強い波の強度(DL/L) は約 10-21
L = 1 km, => DL = 10-18 m
60
How Small is 10-18 Meter?
One meter

10
,000
100

10
,000

100
,
000

1
,000
Human hair ~ 100 microns
Wavelength of light ~ 1 micron
Atomic diameter 10-10 m
Nuclear diameter 10-15 m
GW detector 10-18 m
61
10-18 メートルとはどの位短い?
１ メートル

10
,000
100

10
,000

100
,
000

1
,000
髪の毛~ 100 ミクロン
光の波長~ 1 ミクロン
原子の大きさ 10-10 m
原子核の大きさ 10-15 m
重力波検出器 10-18 m
62
A Global Network of
Gravitational Wave Interferometers
LIGO
GEO
Virgo
TAMA/LCGT
• Detection confidence
• Locate sources
AIGO
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重力波検出器の
全世界ネットワーク
LIGO
GEO
Virgo
TAMA/LCGT
• 確かな信号取得
• 信号源の場所の特定
AIGO
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Looking to the Future
 The existence of gravitational waves is
beyond any reasonable doubt
 Their detection is one of the most
challenging tasks ever undertaken by
scientists
 They promise to give us new insights into
the world of astronomy
 There will be surprises!
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未来への課題
 重力波の存在は疑う余地は無い
 その検出は、今まで科学者が取り組んできた中
でも、最もやりがいのある物の１つである
 重力波は我々に新しい宇宙を見せてくれる
 思っても見なかった様な物が隠されているだろう!
66