目次
はじめに：宇宙創成の謎
私たちが存在するこの宇宙は、約138億年前に誕生したと考えられています。その誕生の瞬間から現在に至るまで、宇宙は膨張を続け、星や銀河が形成され、多様な天体現象が生まれてきました。しかし、宇宙の最初期、特にビッグバンから数十万年以内の時期については、直接観測することが極めて困難なため、多くの謎が残されています。
この謎に挑むための鍵となるのが「プライモーディアル重力波」です。プライモーディアルとは「原初の」という意味で、宇宙誕生直後に発生したとされる重力波のことを指します。これは宇宙の最初期に発生した時空のさざなみであり、その痕跡は今なお宇宙全体に広がっていると考えられています。
現代の宇宙物理学において、プライモーディアル重力波の探索は、宇宙の誕生と進化を理解するための最も重要な研究テーマの一つとなっています。この記事では、プライモーディアル重力波とは何か、それがなぜ重要なのか、そしてどのように観測されようとしているのかについて詳しく解説していきます。
プライモーディアル重力波とは何か
重力波の基本概念
プライモーディアル重力波について理解するには、まず重力波の基本概念を把握する必要があります。重力波とは、アインシュタインの一般相対性理論によって予言された時空の波動です。質量を持つ物体が加速度運動をすると、その周囲の時空に波紋が生じます。これが重力波です。
一般相対性理論では、重力は時空の歪みとして説明されます。大きな質量を持つ物体があると、その周囲の時空が歪みます。そして、質量を持つ物体が加速度運動をすると、その歪みが波として伝播します。光速で伝わるこの波が重力波です。
2015年に重力波が初めて直接観測されたことは、物理学における偉大な成果でした。観測されたのは、約13億光年離れた場所で発生した二つのブラックホールの合体による重力波でした。この観測によって、アインシュタインの一般相対性理論の予言が正しいことが実証されましたが、これらは宇宙の進化過程で発生した重力波であり、宇宙誕生直後に発生したとされるプライモーディアル重力波とは区別されます。
プライモーディアル重力波の特殊性
プライモーディアル重力波の特殊性は、その起源にあります。これらは宇宙の誕生直後、具体的には宇宙がインフレーション（急激な膨張）を経験したとされる時期に発生したと考えられています。
宇宙の最初期には、量子ゆらぎによって時空そのものが振動していました。宇宙が急激に膨張する過程で、これらの量子ゆらぎが引き伸ばされ、古典的な波動である重力波となりました。このプロセスは「量子ゆらぎの古典化」と呼ばれることもあります。
通常の重力波は、中性子星やブラックホールなどの天体現象によって発生しますが、プライモーディアル重力波は宇宙そのものの誕生と関連しています。そのため、これを観測することができれば、宇宙の最初期、特にインフレーション期についての貴重な情報を得ることができるのです。
プライモーディアル重力波のもう一つの特徴は、その波長が非常に長いことです。宇宙の膨張に伴って引き伸ばされたため、その波長は銀河スケールからさらに大きなものまで多岐にわたります。この特徴が、観測を困難にしている一因でもあります。
宇宙インフレーション理論との関係
インフレーション理論の基礎
インフレーション理論は、1980年代初頭にアラン・グスによって提唱された理論で、宇宙の最初期に急激な膨張が起こったとする考え方です。この理論によれば、宇宙は誕生からわずか10^-36秒から10^-32秒の間に、少なくとも10^26倍以上の大きさに膨張したとされています。
インフレーション理論は、宇宙の均一性や平坦性など、現在の宇宙の特徴を説明するのに役立ちます。例えば、なぜ宇宙の異なる領域が互いに因果関係を持たないはずにもかかわらず、非常に似た物理的特性を持っているのかという「地平線問題」や、なぜ宇宙の幾何学が平坦なのかという「平坦性問題」などに対する答えを提供します。
インフレーション理論は現代の宇宙論において広く受け入れられていますが、直接的な証拠は未だ見つかっていません。プライモーディアル重力波の検出は、インフレーション理論を直接検証するための重要な手段と考えられています。
プライモーディアル重力波が持つ意味
プライモーディアル重力波の存在が確認されれば、それはインフレーション理論に強力な証拠を与えることになります。なぜなら、インフレーション期に発生した量子ゆらぎが重力波として残存しているはずだからです。
さらに、プライモーディアル重力波の具体的な特性（振幅やスペクトル）を測定することで、インフレーションの詳細なメカニズムを理解する手がかりが得られます。例えば、インフレーションのエネルギースケールや、インフレーションを引き起こした物理的過程についての情報が得られる可能性があります。
また、プライモーディアル重力波は、量子重力理論を検証する手段にもなり得ます。インフレーション期のエネルギースケールは非常に高く、量子効果と重力効果が共に重要になる領域です。この領域は、現在の物理学の二大柱である量子力学と一般相対性理論を統合する「量子重力理論」が必要とされる領域でもあります。プライモーディアル重力波の観測は、量子重力理論に対する実験的制約を与える可能性があります。
観測への挑戦
宇宙マイクロ波背景放射（CMB）
プライモーディアル重力波の痕跡を探す最も有望な方法は、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測です。CMBは、宇宙が誕生してから約38万年後に解放された光（電磁波）で、宇宙の全方向から観測されています。
CMBは、宇宙の初期状態に関する情報を豊富に含んでいます。特に、CMBの温度ゆらぎは、宇宙の密度ゆらぎを反映しており、これまでの観測により、宇宙の構造形成や宇宙の組成に関する重要な知見が得られています。
さらに、CMBは偏光という性質も持っています。偏光とは、電磁波の振動方向が特定の方向に揃っている状態のことです。CMBの偏光は、主に宇宙の密度ゆらぎによるものですが、プライモーディアル重力波も特徴的な偏光パターンを作り出すと予想されています。
B-モード偏光の探索
CMBの偏光パターンは、大きく分けて「E-モード」と「B-モード」の二種類があります。E-モードは密度ゆらぎによって生じ、渦なしのパターンを持ちます。一方、B-モードは重力波によって生じ、渦を含むパターンを持つという特徴があります。
B-モード偏光の中でも、特に大きなスケール（角度にして数度以上）のものは、プライモーディアル重力波によって生じたと考えられています。このスケールでのB-モード偏光の検出は、プライモーディアル重力波、ひいてはインフレーション理論の直接的な証拠となり得ます。
しかし、B-モード偏光の観測は非常に困難です。信号が非常に微弱であることに加え、銀河系内のダストや、重力レンズ効果によるE-モードからのリーク、さらには地球大気などによるノイズが大きな障害となります。これらの困難を克服するため、世界中の研究機関が競って高精度の観測を行っています。
2014年には、南極に設置されたBICEP2望遠鏡がB-モード偏光の検出を報告し、大きな話題となりました。しかし、後の解析で、この信号の大部分は銀河系内のダストによるものであることが明らかになりました。この経験から、プライモーディアル重力波の確実な検出には、複数の周波数での観測や、複数の実験による検証が必要であることが再認識されました。
現在、多くの地上望遠鏡や気球実験、さらには将来の衛星計画によって、より高精度のCMB偏光観測が進められています。例えば、南極に設置されたSPT-3G望遠鏡や、チリのアタカマ砂漠に設置されたPOLARBEAR/Simons Array望遠鏡などが観測を行っています。また、CMB-S4という次世代地上実験や、LiteBIRDという衛星計画も進行中です。これらの実験により、近い将来、プライモーディアル重力波の検出、あるいはより厳しい上限値の設定が期待されています。
プライモーディアル重力波観測の最前線
現代の観測宇宙論において、プライモーディアル重力波の検出は最も重要な目標の一つです。これまでの章で説明したように、その痕跡はCMBのB-モード偏光に残されていると考えられています。ここでは、世界中で進行中の主要な観測プロジェクトとその最新成果について詳しく見ていきましょう。
地上望遠鏡による観測プロジェクト
現在、プライモーディアル重力波の痕跡を探るために、複数の地上望遠鏡が稼働しています。地上望遠鏡は大気の影響を受けるというデメリットがありますが、継続的な改良が可能であり、大型の装置を設置できるというメリットがあります。
主要な地上観測プロジェクトには、以下のようなものがあります：
- BICEP/Keck Array：南極点に設置された一連の望遠鏡で、CMBの偏光を高感度で測定しています。2014年にはB-モード偏光の検出を報告しましたが、後に銀河ダストによる前景放射であることが判明しました。現在はBICEP3として観測を継続しています。
- SPT（South Pole Telescope）：南極点に設置された10メートル口径の電波望遠鏡です。現在はSPT-3Gとして、高感度の検出器を搭載し、CMBの温度と偏光の微細な変化を測定しています。
- ACT（Atacama Cosmology Telescope）：チリのアタカマ砂漠に設置された6メートル口径の望遠鏡です。高地の乾燥した環境を活かして、高精度のCMB観測を行っています。
- POLARBEAR/Simons Array：こちらもチリのアタカマ砂漠に設置されたプロジェクトで、複数の望遠鏡を用いてCMBの偏光を測定しています。特にB-モード偏光の検出に特化した設計になっています。
これらの地上望遠鏡は、それぞれ異なる周波数帯や観測戦略を持ち、互いに補完し合いながらデータを蓄積しています。例えば、SPTとACTは主に小さな角度スケールでの観測を得意とする一方、BICEP/Keckは大きな角度スケールでの観測に強みを持っています。
地上望遠鏡による最新の成果としては、2020年にBICEP/Keck collaborationが発表したデータがあります。このデータは、Planck衛星やWMAP衛星のデータと組み合わせて解析され、テンソル・スカラー比（r）と呼ばれるパラメータに対して、r < 0.06（95%信頼区間）という上限値を設定しました。テンソル・スカラー比は、プライモーディアル重力波の強さを表す指標であり、この値が小さいほど、プライモーディアル重力波の振幅が小さいことを意味します。この結果は、一部のシンプルなインフレーションモデルに制約を与えるものとなりました。
気球実験と衛星計画
地上望遠鏡に加えて、気球を用いた実験や人工衛星による観測も重要な役割を果たしています。これらは地球大気の上空から観測を行うため、大気の影響を大幅に軽減できるという利点があります。
代表的な気球実験には以下のようなものがあります：
- SPIDER：南極上空を飛行する気球に搭載された偏光計で、大きな角度スケールでのB-モード偏光を探索しています。2015年と2022年に観測フライトを実施しました。
- EBEX：高高度気球に搭載された望遠鏡で、CMBの偏光を測定しました。2012年に南極上空で観測を行いました。
これらの気球実験は、地上望遠鏡と衛星の中間的な位置づけとなる観測手段で、比較的短期間で結果を得られるという利点があります。
一方、人工衛星による観測は、地球大気の影響を完全に避けられる上、全天観測が可能という大きな利点があります。過去にはWMAP衛星やPlanck衛星がCMBの詳細な観測を行い、宇宙論の精密化に大きく貢献しました。
現在計画されている将来の衛星ミッションには、以下のようなものがあります：
- LiteBIRD（Lite satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection）：日本が主導する国際協力プロジェクトで、2030年頃の打ち上げを目指しています。CMBの偏光、特にB-モード偏光の全天マッピングを主な目的としています。
- CMB-S4（CMB Stage 4）：次世代地上CMB実験で、米国を中心に計画されています。複数の観測サイトに合計約500,000個の超伝導検出器を配置し、これまでにない高感度でCMBを観測する予定です。
これらの将来計画は、テンソル・スカラー比rに対して0.001程度の感度を目指しており、もしこの感度でも検出されなければ、多くのインフレーションモデルを棄却することになります。逆に検出された場合は、インフレーションの詳細なメカニズムに迫る重要な手がかりとなるでしょう。
観測技術の進化
プライモーディアル重力波の痕跡を探るための観測技術は、年々進化を続けています。特に大きな進歩があった領域として、以下のようなものが挙げられます：
- 検出器技術：現代のCMB観測では、超伝導転移端センサー（TES）や動的インダクタンス検出器（MKID）などの高感度超伝導検出器が使用されています。これらの検出器は極めて微弱な信号を捉えることができ、かつ大規模アレイとして配置することができます。
- 前景放射の理解と除去：銀河系内のダストやシンクロトロン放射などの前景放射は、CMB観測における最大の障害の一つです。2014年のBICEP2の例が示すように、これらの影響を正確に評価し除去することが極めて重要です。近年は複数の周波数帯での同時観測により、前景放射の特性をより詳細に把握する試みが進んでいます。
- データ解析手法：観測データから宇宙論的情報を抽出するための統計的手法も大幅に進化しています。ベイズ統計を用いたパラメータ推定や、機械学習を活用したノイズ除去など、より洗練された解析手法が開発されています。
これらの技術的進歩により、CMB観測の感度は年々向上しています。例えば、初期のCMB実験と比較して、現在の実験は100倍以上の感度を達成しています。将来計画ではさらに1桁以上の感度向上が見込まれており、プライモーディアル重力波の検出可能性が高まっています。
インフレーション理論のバリエーションとプライモーディアル重力波
プライモーディアル重力波の探索は、インフレーション理論の検証という側面を持っています。しかし、インフレーション理論自体にも様々なバリエーションが存在し、それぞれが異なるプライモーディアル重力波の特性を予言しています。ここでは、主要なインフレーションモデルとそれらが予言するプライモーディアル重力波の特徴について見ていきましょう。
様々なインフレーションモデル
インフレーション理論には多くのバリエーションがありますが、大まかに分類すると以下のようなモデルが代表的です：
- 大振幅モデル（Large-field models）：インフレーションを引き起こす場（インフラトン場）がプランクスケールを超える大きな値を取るモデルです。カオティックインフレーションやナチュラルインフレーションなどが含まれます。これらのモデルは比較的大きなプライモーディアル重力波を予言します。
- 小振幅モデル（Small-field models）：インフラトン場がプランクスケールより小さい値を取るモデルです。新インフレーションやハイブリッドインフレーションなどが含まれます。これらのモデルは通常、より小さなプライモーディアル重力波を予言します。
- 複数場モデル（Multi-field models）：複数のスカラー場が関与するインフレーションモデルです。これらのモデルでは、場の相互作用によって複雑なダイナミクスが生じる可能性があり、予言されるプライモーディアル重力波の特性も多様です。
これらのモデルの区別は、主にテンソル・スカラー比（r）とスペクトル指数（ns）という二つのパラメータの値によって行われます。rはプライモーディアル重力波の振幅を、nsは密度ゆらぎのスペクトルの傾きを表します。現在の観測からは、ns≈0.965という値が得られており、これはスペクトルがわずかに赤色（低周波側が強調される）であることを意味します。
現在の観測結果（r < 0.06）は、大振幅モデルの一部、特に単純なカオティックインフレーションモデルに制約を与えていますが、小振幅モデルや複数場モデルの多くは依然として観測と整合しています。
リリッカルインフレーションとアルファアトラクターモデル
近年注目を集めているインフレーションモデルとして、リリッカルインフレーションとアルファアトラクターモデルがあります。これらのモデルは、素粒子物理学の理論と宇宙論を結びつける試みの一環として開発されました。
リリッカルインフレーションは、弦理論から着想を得たモデルで、インフラトン場が複数のスカラー場の相互作用から生じるというアイデアに基づいています。このモデルは、r～0.01程度のプライモーディアル重力波を予言し、現在の観測と良く整合しています。
一方、アルファアトラクターモデルは、異なる初期条件から始まっても同じインフレーション軌道に収束するという「アトラクター的振る舞い」を示すモデルです。このモデルは、パラメータαの値に応じて様々なrの値を予言し、観測と比較的容易に整合させることができます。
これらの洗練されたモデルは、今後の観測によってさらに検証が進むことが期待されています。特に、LiteBIRDやCMB-S4などの将来計画は、r～0.001の感度を目指しており、これらのモデルの検証に大きく貢献するでしょう。
プライモーディアル重力波研究の科学的インパクト
プライモーディアル重力波の発見は、単に一つの理論を検証するだけでなく、物理学と宇宙論の広範な分野に革命的なインパクトをもたらす可能性を秘めています。その検出あるいは非検出が持つ意味について、より深く考察していきましょう。
物理学の未踏領域への窓
プライモーディアル重力波は、人類がこれまで直接観測できなかった超高エネルギー領域の物理現象を探る貴重な手段です。インフレーション期のエネルギースケールは、現在の加速器実験で到達可能なエネルギーの数桁上に位置すると考えられています。
このエネルギー領域に関して、現在私たちが持つ知識は以下のようなものです：
- 標準モデルを超える物理：素粒子物理学の標準モデルは、これまでの実験で非常に精度よく検証されてきましたが、高エネルギー領域での振る舞いについては未知の部分が多く残されています。プライモーディアル重力波の観測は、標準モデルを超える新たな物理の探索に貢献する可能性があります。
- 大統一理論（GUT）のスケール：電磁気力、弱い力、強い力が一つの力に統一されると考えられる大統一理論のエネルギースケールは、約10^16 GeVとされています。これはインフレーション期のエネルギースケールと近い可能性があり、プライモーディアル重力波の観測により、大統一理論に関する手がかりが得られるかもしれません。
- 量子重力のヒント：インフレーション期のエネルギースケールは、量子効果と重力効果が共に重要になる領域に近いと考えられています。プライモーディアル重力波の観測から、量子重力理論に対する制約が得られる可能性があります。
実際、プライモーディアル重力波の振幅（テンソル・スカラー比r）からは、インフレーション期のエネルギースケールを直接推定することができます。例えば、r=0.01の場合、インフレーションのエネルギースケールは約10^16 GeVと推定され、これは大統一理論のスケールに非常に近い値です。
宇宙論への影響
プライモーディアル重力波研究は、宇宙論の基本的な問いに対する答えを提供する可能性を持っています。以下に主要な影響を示します：
- インフレーション理論の検証：前章で説明したように、プライモーディアル重力波の検出または厳しい上限値の設定は、様々なインフレーションモデルを選別する重要な手段となります。これにより、宇宙の初期条件に関する理解が大きく進展するでしょう。
- 宇宙の始まりに関する理解：インフレーション以前の宇宙、あるいはインフレーションを引き起こした機構について、より具体的な描像が得られる可能性があります。例えば、一部の理論では、我々の宇宙はより大きな「マルチバース」の一部であるという考えがありますが、プライモーディアル重力波の特性はこのような仮説に制約を与えることができます。
- 宇宙の構造形成の理解深化：プライモーディアル重力波と密度ゆらぎは共に宇宙の初期条件から生じますが、異なるメカニズムで進化します。両者の関係を詳細に調べることで、宇宙の大規模構造の形成過程についてより完全な理解が得られるでしょう。
これらの影響は、宇宙論という学問分野全体の発展に寄与するだけでなく、私たちの宇宙観や自然理解の根本的な変革をもたらす可能性があります。
観測手法の新展開
プライモーディアル重力波を探索するための観測技術は、日々進化を続けています。CMBのB-モード偏光観測に加えて、新たな観測手法の開発も進められています。ここでは、特に有望な新しいアプローチについて紹介します。
パルサータイミングアレイ
パルサー（高速で回転する中性子星）は、非常に安定した周期で電波パルスを放出しています。この特性を利用して、複数のパルサーからの信号を同時に観測する「パルサータイミングアレイ」が構築されています。
パルサータイミングアレイによるプライモーディアル重力波探索の特徴は以下の通りです：
- 長波長重力波の探索：パルサータイミングアレイは、CMB観測とは異なる周波数帯（ナノヘルツ帯）の重力波に感度を持ちます。これにより、インフレーション後の宇宙進化で生じた可能性のある長波長の重力波背景を探索できます。
- 国際協力プロジェクト：現在、北米のNANOGrav、欧州のEPTA、オーストラリアのPPTA、インドのInPTAなど、世界各地でパルサータイミングアレイの観測が行われています。これらのデータを統合した国際パルサータイミングアレイ（IPTA）も構築されています。
- 最近の成果：2020年代に入り、複数のパルサータイミングアレイグループから、低周波重力波背景の兆候を示す結果が報告されています。この信号がプライモーディアル重力波によるものか、あるいは超大質量ブラックホール連星からの重力波の重ね合わせによるものかを区別するためには、さらなる観測が必要です。
パルサータイミングアレイは、CMB観測とは相補的な情報を提供するため、両者を組み合わせることで、宇宙の初期条件に関するより完全な描像が得られると期待されています。
レーザー干渉計による直接探索
将来的には、宇宙空間に設置された超長基線レーザー干渉計によって、プライモーディアル重力波を直接検出する可能性も検討されています。
- BBO（Big Bang Observer）：NASAが検討している将来計画で、複数の宇宙干渉計を配置し、ヘルツ帯のプライモーディアル重力波背景を探索することを目指しています。
- DECIGO（DECi-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory）：日本のJAXAが提案している宇宙干渉計計画で、デシヘルツ帯の重力波観測を目的としています。
これらの将来計画は、現在のCMB観測やパルサータイミングアレイとは異なる周波数帯の重力波に感度を持つため、プライモーディアル重力波のスペクトルに関するより完全な情報が得られる可能性があります。
科学と社会への広がり
プライモーディアル重力波研究は、純粋な科学的価値だけでなく、より広い社会的・文化的な影響も持っています。ここでは、この研究分野がもたらす様々な側面について考察します。
学際的研究の推進
プライモーディアル重力波の研究は、以下のような多様な学問分野を横断する学際的な取り組みとなっています：
- 素粒子物理学：高エネルギー物理学の知見を宇宙論に応用
- 一般相対性理論：重力波の性質を理解するための理論的基盤
- 宇宙論：宇宙の進化と構造形成の包括的な理解
- 観測天文学：高精度観測技術の開発と実装
- 信号処理：複雑なデータからの微弱信号の抽出
- 統計学：観測データの解析と解釈
このような学際的な取り組みは、それぞれの分野に新たな視点やアイデアをもたらし、科学全体の発展に貢献しています。例えば、CMB観測のために開発された超伝導検出器技術は、医療イメージングなど他の分野にも応用されています。
国際協力と大型プロジェクト
プライモーディアル重力波の探索には、国境を越えた科学者の協力が不可欠です。前述のLiteBIRDやCMB-S4などの大型プロジェクトは、多くの国や研究機関が参加する国際協力によって推進されています。
このような国際協力プロジェクトは、以下のような重要な役割を果たしています：
- リソースの共有：高額な観測装置や計算リソースを共有することで、単一の国や機関では実現困難な大型プロジェクトが可能になります。
- 知識と技術の交流：異なるバックグラウンドを持つ研究者間の交流により、革新的なアイデアが生まれやすくなります。
- 若手研究者の育成：大型プロジェクトは、次世代の研究者が最先端の研究に参加する機会を提供します。
日本も重要な貢献をしており、特にLiteBIRD衛星計画では中心的な役割を担っています。このプロジェクトは、日本のJAXAを中心に、北米、欧州、アジアの研究機関が参加する国際協力ミッションとして進められています。
科学コミュニケーションと一般教育
プライモーディアル重力波のような最先端の研究トピックは、一般の人々の科学への関心を高め、科学リテラシーの向上に貢献する潜在力を持っています。
- 宇宙の根本的な謎への挑戦：「宇宙はどのように始まったのか」という根源的な問いは、科学者だけでなく、多くの人々の興味を引きつけます。プライモーディアル重力波研究は、この問いに科学的にアプローチする方法を示しています。
- 科学の進展過程の例示：2014年のBICEP2の発表とその後の展開は、科学がどのように機能するか、つまり仮説の提案、観測、検証、そして時には修正という科学の進展過程を一般の人々に示す良い例となりました。
- STEM教育の促進：プライモーディアル重力波研究に関連する教育プログラムは、次世代の科学者やエンジニアの育成に寄与しています。特に、ウェブサイトやソーシャルメディアを通じた情報発信により、若い世代の科学への興味を喚起する取り組みが進められています。
将来展望と残された課題
プライモーディアル重力波研究は、今後数十年にわたって宇宙物理学の最前線であり続けると予想されます。ここでは、この分野の将来展望と残された課題について考察します。
観測技術の更なる進化
現在計画されているLiteBIRDやCMB-S4などのプロジェクトは、2030年代に向けて進行中ですが、それ以降も観測技術の進化は続くでしょう。特に以下の分野での発展が期待されます：
- 量子限界検出器：量子力学の基本原理に基づく限界に近い感度を持つ検出器の開発
- 大規模アレイ技術：数百万個規模の検出器アレイを実現するための技術
- 新材料の応用：超伝導材料や量子材料など、新しい材料科学の成果の応用
これらの技術の進歩により、プライモーディアル重力波の探索感度は今後も向上し続けると予想されます。
