重力波とは何か？その基本をおさえよう！
重力波とは？
まずはその定義を簡単におさえておきましょう。
重力波とは、質量をもつ物体同士が互いに引き合う「重力」が波のように伝わっていく現象のことです！
私たちはふだん、重力といえば地球が物を引っ張る力として認識していますよね。
この重力は太陽や星など、大きな質量をもつ天体すべてに存在する力です。
そして、ある天体が大きく動いたり、衝突したりすると、空間そのものが波打つように歪みが伝わると考えられます。
その歪みこそが「重力波」です。
アインシュタインの一般相対性理論
重力波は、アインシュタインの一般相対性理論（1915年発表）で理論的に予言されました。
アインシュタインは、重力を「空間（時空）の歪み」として捉えました。
そして、質量をもつ天体が運動することで空間が振動し、その歪みが光の速さで伝わるというのが重力波の理屈です。
とはいえ、20世紀前半には重力波を観測する技術がありませんでした。
そのため、アインシュタイン自身も「理論上は存在するが、観測は不可能だろう」と考えていたといわれています。
ところが科学は進歩し、21世紀に入った今、重力波の直接観測が実現しました！
重力波によってわかること
宇宙の初期状態の解明
宇宙がどのように始まったかを知る上で、重力波は非常に重要な手がかりとなります。
宇宙誕生（ビッグバン）直後の状態は光さえも閉じ込められていた可能性があり、電磁波による観測が難しいと考えられています。
しかし重力波は物質との相互作用が非常に弱いため、宇宙初期に発生した重力波がそのまま残っているかもしれないのです！
もしそうした初期宇宙の化石ともいえる重力波を観測できれば、ビッグバン直後の宇宙の姿に迫る大きな手がかりとなるでしょう。
ブラックホールや中性子星の合体
重力波が放出される代表的な例として、ブラックホール同士の合体や中性子星同士の合体が挙げられます。
過去には中性子星同士の合体によって「金などの重元素がどのように宇宙で生成されるか」が解明に近づく観測事例もありました。
重力波による新たなデータが、宇宙誕生の謎や元素の起源の解明につながっているのです！
どうして重力波を観測するのが難しいの？
重力が弱すぎる？！
宇宙の基本的な力には、「重力」「電磁気力」「強い力」「弱い力」という4つが知られています。
このうち「重力」は、実はとても弱い力です！
例えば、日常生活で感じる重力は確かに大きいですが、それは地球という巨大な質量と私たちの間で働く力だからこそ大きく感じるだけ。
微小な質量同士の重力はほとんど無視できるほど弱いのです。
空間の歪みの大きさが超微弱！
重力波は「空間が波のように歪む」現象です。
たとえブラックホール同士が衝突したとしても、その歪みが地球に届くころには原子の大きさよりもはるかに小さいオーダーのわずかな揺れしか引き起こしません。
そうなると、超高感度の観測装置を用いても、その振幅を捉えるのは至難の業。
まるで地球の裏側で起きたささやき声を、こちら側で正確にキャッチするようなものです！
重力波が観測された！歴史的快挙
LIGOによる初の直接観測
重力波の直接観測が達成されたのは、2015年9月にアメリカの重力波観測装置「LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）」によってです。
観測結果が世界に発表されたのは翌年の2016年2月！
このニュースは「アインシュタインの予言が100年越しに証明された！」として、世界中の科学者やメディアを大いに驚かせました。
観測された重力波は、「ブラックホール同士が衝突したときに生じた歪み」でした。
数十太陽質量という巨大な質量をもつブラックホールが2つ、激しく回転しながら合体し、その結果生まれた重力波が約13億光年の彼方から地球に到達したのです。
史上初！重力波を用いた天文学の幕開け
この観測成功を機に、「重力波天文学」という新しい研究分野が急速に発展していくことになりました！
従来の天文学では、主に「電磁波（可視光線や電波、X線など）」を使って宇宙を観測してきましたが、重力波という新たな窓が開かれたことで、これまで観測が難しかった天体現象を直接捉えられるようになる可能性が広がったのです。
重力波の観測方法：どうやって捉えているの？
干渉計を使った観測
重力波の観測には、主に「レーザー干渉計」という装置が使われます。
これは、レーザー光を2つの長い腕に分けて往復させ、干渉パターンのわずかな変化を観測する仕組みです。
もしも重力波が地球を通過すると、空間が伸び縮みするため、レーザー光が通る道の長さがほんの少しだけ変化します。
その変化から重力波を検出しようというのです！
代表的な観測施設
- LIGO（アメリカ）
- VIRGO（イタリア）
- KAGRA（日本）
日本のKAGRA（かぐら）は、岐阜県飛騨市の地下に建設された重力波望遠鏡です。
地下に置くことで、地上の振動や騒音などのノイズを減らし、重力波の微かな信号をより正確に捉えようとしています。
どれくらいの精度が必要？
LIGOの観測精度は、原子核の大きさよりも小さい10^-19メートル（1メートルの1,000,000,000,000,000,000分の1）程度といわれています！
私たちの想像をはるかに超える微小な変化を検出するなんて驚きですよね。
重力波とノーベル賞
重力波の観測に携わった研究者たちは、その偉大な業績が評価され、2017年のノーベル物理学賞を受賞しました。
受賞者はLIGOの開発・観測に貢献した3名で、アインシュタイン以来の大発見とも評されたのです。
- ライナー・ワイス（Rainer Weiss）
- バリー・C・バリッシュ（Barry C. Barish）
- キップ・S・ソーン（Kip S. Thorne）
彼らの長年の努力が実を結び、一般相対性理論をさらに確固たるものにし、天文学に新しい観測手段をもたらすことにつながりました！
重力波天文学の未来
マルチメッセンジャー天文学
近年注目されているキーワードが、「マルチメッセンジャー天文学」です。
これは、重力波だけでなく電磁波やニュートリノ、さらには宇宙線などの多様な情報を組み合わせて宇宙を解析しようという試み！
例えば、ある天体イベントから重力波が検出されたら、その方向を電磁波望遠鏡で観測し、さらにニュートリノ観測装置でもデータを取り……といった形で多角的にアプローチします。
そうすることで、1つの現象をより詳細かつ確実に理解できるようになるのです。
宇宙の謎解きに大きく貢献
マルチメッセンジャー天文学によって期待されるのは、ブラックホールや中性子星などの極限状態での物理の解明や、ダークマターやダークエネルギーの存在に迫ることなど。
私たちのまだ知らない宇宙の謎に対して、重力波は新たな視点を提供してくれます。
今後、重力波の観測が進むほど、宇宙や時空についての理解が飛躍的に深まると期待されています！
重力波観測を支える日本の取り組み
KAGRA（かぐら）の特徴
前述したように、日本の岐阜県飛騨市には「KAGRA」という地下型の重力波望遠鏡が設置されています。
KAGRAはレーザー干渉計を地下に設置することで、地上から伝わる地面の振動や温度の変化などを極力抑えて観測を行います。
また、鏡を冷却して熱による振動を小さくするなど、高度な技術を採用しています！
アジアからのリード
重力波研究は欧米が中心と思われがちでしたが、日本もKAGRAの運用で大きく貢献しようとしています。
実際、KAGRAが本格稼働すれば、LIGOやVIRGOと同時観測（ネットワーク観測）を行うことで、重力波源の方向や波形をより正確に捉えやすくなります。
複数の望遠鏡で同じ現象を観測し合えば、まるでGPS衛星が複数あるように精度の高い位置情報が得られる仕組みと似ています！
重力波に関連するよくある疑問
Q1. 重力波が私たちの生活に直接影響を与える？
今のところ、重力波が私たちの健康や日常生活に大きな影響を与えるとは考えられていません。
重力波は宇宙規模で発生する現象で、地球に到達する頃にはとても小さな歪みになってしまうからです！
しかし、宇宙の謎を解き明かす上でのインパクトは計り知れないほど大きく、結果的には科学技術の進歩が私たちの生活へ恩恵をもたらす可能性があります。
Q2. 重力波は音波や電磁波とどう違う？
「波」と聞くと音波や電磁波をイメージする方もいるかもしれませんね。
しかし重力波は、空間そのものが振動する波であり、音波が空気の振動で伝わるのとも、電磁波が電磁場の変化で伝わるのとも異なります！
また、重力波は光の速さで伝わると考えられていますが、電磁波とは別の形での波動です。
Q3. 重力波がもたらすビッグニュースはまだある？
今後も、ブラックホールや中性子星以外にも超新星爆発、さらにはビッグバン直後の重力波など、様々な天体現象や宇宙の歴史にまつわる新しい発見が期待されています！
研究が進めば進むほど、これまで仮説や推測でしか語れなかった宇宙の姿が、より明らかになるかもしれません。
まとめ
重力波を通じて得られる情報は、ブラックホールや中性子星の性質はもちろん、宇宙誕生や元素の起源などを解明する鍵を握っています。
今後さらに観測技術が進歩していけば、私たちが想像もしなかった新発見が次々と飛び出すかもしれません！
宇宙は広大でありながら、そこに生じるわずかな歪みを人類がキャッチしている……そんなスケールの大きさと、最先端科学の結晶が重力波観測です。
今後もニュースなどで重力波という言葉を見かけたら、ぜひその背景にあるドラマや、ひょっとすると新たな大発見が隠れているかもしれないことを思い出してみてください！