2026年1月19日 (更新: 2026年3月22日 ) 読了約5分

重力波とは — LIGOの初検出から最新の発見まで宇宙の新しい「耳」

はじめに — 宇宙の「音」を聴く

重力波は、巨大な質量を持つ天体が加速度運動するときに時空を波立たせる現象だ。アインシュタインが1916年に一般相対性理論から予言し、約100年後の2015年にLIGOが初めて直接検出に成功した。

重力波の検出は、電磁波（光・電波・X線）では見えなかった宇宙の姿を明らかにする新しい観測手段だ。宇宙に「目」だけでなく「耳」が加わった、と表現される。

一般相対性理論によれば、質量は時空を曲げる。巨大な質量が加速度運動すると、時空の歪みが波として光速で伝わる。これが重力波だ。

日常的な物体の運動でも重力波は発生するが、その振幅は検出不可能なほど微小だ。検出可能な重力波を生むには、ブラックホールの合体や中性子星の衝突のような、極めて激しい宇宙現象が必要になる。

LIGOが検出した重力波による空間の伸縮は、4kmの検出器の腕の長さが陽子の直径の約1/1000（10^-18メートル）変化する程度だ。この驚異的な精度の実現が、重力波天文学の最大の挑戦だった。

2015年9月14日、米国の2台のLIGO検出器（ルイジアナ州とワシントン州）が同時に重力波信号を検出した。信号源は、太陽の約36倍と約29倍の質量を持つ2つのブラックホールの合体だった。

合体で生じたブラックホールは太陽の約62倍。差し引き太陽の約3倍の質量がエネルギー（重力波）として放出された。これはE=mc²で計算すると、全宇宙の全恒星の光度を一瞬で上回るエネルギーだ。

この発見により、レイナー・ワイス、バリー・バリッシュ、キップ・ソーンの3氏が2017年のノーベル物理学賞を受賞した。約50年にわたる検出器開発の成果が認められた。

LIGOとVirgo（イタリア）の共同観測で、これまでに90件以上の重力波イベントが検出されている。そのほとんどがブラックホール連星の合体だ。

興味深いのは、太陽の50倍以上の質量を持つブラックホールが予想以上に多いことだ。恒星進化の理論では形成が難しい質量範囲で、ブラックホールの起源に関する新たな問いを投げかけている。

2017年8月17日、2つの中性子星の合体が重力波と電磁波の両方で観測された。重力波の検出からわずか1.7秒後にガンマ線バーストが検出され、その後、可視光・赤外線・X線・電波でも観測された。

この「マルチメッセンジャー天文学」の里程標的イベントから、以下のことが明らかになった:

LIGOは、L字型の2本の腕（各4km）にレーザーを往復させ、重力波による微小な長さの変化を干渉パターンの変化として検出する。

重力波が通過すると、一方の腕が伸びて他方が縮む。この差をレーザー干渉計で測定する。地面の振動、温度変化、さらには量子ノイズまで、あらゆるノイズを排除する技術が必要だ。

複数の検出器で同時検出することで、重力波源の方向を精密に特定できる。

KAGRAは、岐阜県飛騨市神岡鉱山の地下200mに建設された日本の重力波検出器だ。2020年に観測を開始した。

KAGRAの特徴は:

現在は感度向上の改良が進められており、国際ネットワークの一員として観測に貢献する予定だ。

ESAが2030年代に打ち上げを計画する宇宙ベースの重力波検出器。3機の衛星が250万kmの三角形を形成し、低周波の重力波を検出する。超大質量ブラックホールの合体や、銀河系内の連星白色矮星からの重力波を捉えることが目標だ。

Einstein Telescope（欧州、地下設置、腕10km）やCosmic Explorer（米国、腕40km）が構想されている。現在の10倍の感度で、宇宙初期のブラックホール合体まで観測範囲を広げる。

重力波天文学は2015年の初検出からわずか10年で、宇宙物理学の主要な観測手段に成長した。ブラックホール合体、中性子星衝突、重元素の起源。重力波は、電磁波だけでは見えなかった宇宙の姿を次々と明らかにしている。KAGRAやLISAの稼働で、この「新しい耳」はさらに鋭くなるだろう。