重力波計算機

LIGOは、4キロメートルのレーザー干渉計の2本の腕が約10²¹分の1というごくわずかな割合で伸縮する様子を観測することで重力波を検出します。これは陽子の幅よりも千倍ほど小さい歪みです。この信号が信頼できるものになるのは、数千キロメートル離れた検出器で同じ波形が現れなければならないためで、これにより通過するトラックや遠方の地震といった局所的なノイズから本物のチャープを区別できます。周波数も一定ではありません。2つの天体が渦を巻きながら互いに近づくにつれて軌道エネルギーが重力放射として失われるため、波の周波数は合体の瞬間まで上昇し続けます — これがこのツールの曲線の名前の由来である「チャープ」です。

2つのコンパクト天体が渦を巻いて近づくとき、波形はそれぞれの質量を別々に伝えるわけではありません。波形はほぼ1つの組み合わせ、すなわちチャープ質量 M_c = (m₁m₂)^3/5/(m₁+m₂)^1/5 だけで決まります。この1つの数値が周波数の上昇する速さを支配するため、チャープの上昇率を測ればチャープ質量が直接得られます。だからこそこのツールはそれを中心に据えています。

重力波の振幅は、物理学者が第一原理から計算できる形で発生源の真の光度距離に依存します — ケフェイドや超新星による較正は不要です。これにより各合体は標準サイレンになります。チャープから質量を、振幅から距離を読み取れるのです。これに赤方偏移を組み合わせれば、ハッブル定数の独立した測定が得られます。2017年の中性子星合体 GW170817 が宇宙の膨張速度をめぐる議論に一石を投じたのは、まさにこの方法によるものでした。