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2016.04.24  あすなろ174 重力波

2016.04号

今年一月、「重力波の観測に成功した」という話題がありました。

いやー。すごいですねー。だって重力波ですよ重力波。え? 知らない? 重力波っていったらアレですよアレ。あのほら、あるじゃないですか。あの、......おおお前だって知らないくせに!

いや、わかるにはわかるんですけど、これってどこからどう説明しましょうか。

重力波というのは、文字通り重力の波です。

波といっても色々とあります。例えば電波や光は、何らかの粒(という書き方でご勘弁)が波を描きながら飛んでくるというものですが、水面に起こる波紋や地震を伝える波は、周囲に満ちた水や地面そのものが波打ちます。空気などを波打たせる音も同様です。

電波や光は、真空中でも伝わります。粒が飛んでくるわけですから。しかし波紋や地震は、物から物へと伝わりますので、物が詰まっている所以外では伝わりません。音が真空中を伝わらないのはご存じかと思います。

重力波は、粒が飛ぶものではありませんので、どちらかといえば後者に近い性質の物です。しかしこちらは、真空中でも伝わります。何故かというと、重力波によって波打つのは、

空間そのもの

なのですから。

アインシュタインの相対性理論によれば、空間は重力や時間によってゆがむとされています。例えば、光はどこまでも真っ直ぐに進むものですが、実は重力の大きい天体の近くを通過するときには、重力に引かれて曲がって進んでいます。これは何故かというと、その周辺は重力によって空間がゆがんでいるから、という考え方をします。(重力レンズ効果と言われ、アインシュタインの説が正しいことを示す証拠の一つです)

また、重力によって空間がゆがむ概念は、よく「ゴム膜上のボール」に例えられます。


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イラストのように、その「ゴム膜上のへこみ」によって、近くに並べた二つのボールは、互いに引き合います。その二つが同じ重さならば共に近づきますし、重さが違う場合はゴム膜のへこみ方も違うため、重いボールの深いへこみに、軽いボールが引き寄せられて転がり込んでいきます。

これが「万有引力」の正体です。いわゆる引力は、空間のゆがみによって起こる現象なのです。

空間(時空)は、質量が大きければ大きいほどゆがみます。そして空間を大きくゆがませるほどの物体が動くと、そのゆがみは波となって周囲に伝わります。

これが重力波です。


174-3.png

今回は、ブラックホール連星の衝突による重力波が観測されました。ここでは、太陽の三十六倍の質量のブラックホールと太陽の二十九倍の質量のブラックホールが衝突したのですが、できあがったブラックホールは太陽の六十五倍に減少していました。つまり、太陽の三倍分の質量は、エネルギーとなって放出されてしまったのです。

質量というのは重さのことですが、計算上、質量はエネルギーに変換できます。ものの本によると、「一グラムの物質でも都市を丸ごと吹き飛ばすほとのエネルギーを持つ」のだそうです。なお、太陽の質量の三倍は、地球の質量の百万倍に相当します。それだけの質量がエネルギーに変わったのです。

そんなエネルギーが、およそ十三億光年先から光速で地球に伝わってきました。

その結果! なんと太陽と地球の距離が、水素原子一つ分の幅のゆがみを起こしたのです。すげーぞ重力波!

......もうわけわかんないです。誰か助けて。

とまあ、そんなレベルのゆがみですので、これまでは観測が実現されていなかったというわけです。

今回の観測成功は、アメリカの観測装置によるものでした。改良版の観測装置が完成して、試運転を始めてからたった2日後に観測されたのです。しかも、本命ではない天体で。予想外に簡単に測定できてしまったことから、今後は、もっと沢山のデータが取れる可能性が高いと、期待されています。

同様の測定装置は、日本でも試運転中です。イタリアでも改良工事の最中です。この三つの装置のデータを統合することで、より正確なデータが得られるようになる予定です。さらに、「重力波天文学」という、新たな学問が開かれるとも言われています。

さて、重力波の存在をアインシュタインが予言したのは、ちょうど百年前のことでした。科学者達は、アインシュタインの「宿題」を、百年かかって解いたことになります。

こんなものが何の役に立つのか、という問いもあるでしょう。ところが、アインシュタインの相対性理論は、現在ではGPSの精度を保つために不可欠な理論なのです。

人工衛星は速度が非常に高く、重力が少ない場にあります。そのため、地上とは時間の流れる速度が変わるので、時計が狂います。それを補正する計算が、相対性理論なのです。そんな相対性理論が正しいという証拠が、また一つ見つかった、というのが、今回の観測なのでした。我々の生活と全く無縁なものというわけでもないのです。

学塾ヴィッセンブルク 朝倉  



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