研究者らは、負の質量を持つ物体で構成される連星系が、宇宙で前例のない特性を持つ重力放射線信号を生成することを特定しました。研究機関間の提携により開発されたこの新しい研究は、重力波観測所がこれらの発生源を検出し、自然界における負の質量の存在に対する厳格な制限を確立できる可能性があることを提案している。
アルバート・アインシュタインによって定式化された一般相対性理論は、負の質量を持つ物体の存在を数学的に認めています。この理論的な可能性にもかかわらず、そのような質量体を現実に構築できるのかという根本的な疑問は未解決のままです。新しく発表された研究は、重力放射線の特定のパターンを検出することによって、この疑問に答えるための観測戦略を提供します。
3 つの質量カテゴリがオブジェクトの動作を定義します
物理学では、質量を 3 つの異なるカテゴリに分類し、物体が重力や場とどのように相互作用するかを決定します。慣性質量は、力が作用したときの加速に対する物体の抵抗を表します。有効重力質量は、周囲の他の物体に影響を与える重力場を生成する物体の能力を表します。受動的重力質量は、空間内の他の物体によって作成された重力場に対して物体がどのように反応するかを定量化します。
線形運動量保存の法則では、能動的な重力質量と受動的な重力質量が同一であることが必要です。それらが異なる場合、重力相互作用中に 1 つの物体によって得られた運動量は、別の物体によって失われた運動量によって補償されず、物理法則における対称性の基本原則に違反します。この制限は、空間並進不変性、つまりシステムが空間内で位置を変えても物理法則が変化しないという特性から直接生じます。
等価原理は重力現象と慣性現象を結びつけます
等価原理は、アインシュタインの一般相対性理論の基礎を構成します。それは、物体の慣性質量がその受動的重力質量に等しいと仮定します。この命題は、ガリレオ・ガリレイの研究から現代の研究に至るまで、何世紀にもわたる実験観察に基づいており、質量の異なる物体は、その組成や質量の大きさに関係なく、重力の影響下では同じように加速することを示しています。
研究者が負の質量を持つ仮想の物体について議論するとき、線形運動量の保存と等価原理の両方が引き続き有効であると仮定することがよくあります。この仮定は、3 つの質量形式が負の質量でも同様であることを意味します。ただし、等価原理は正の質量についてのみ実験的に検証されています。負の質量の場合、この対称性が維持されない可能性があり、新しい物理シナリオが開かれます。
双極子放射線は重力質量が異なる系から発生する
最近発表された論文は、著名な研究者と共同で開発され、重力質量と慣性質量の比率が異なる2つの天体を含む連星系が双極子重力放射線を放出することを実証している。このパターンは、LIGO、Virgo、KAGRA 重力波検出器によってこれまでに確認されたすべての検出で観察されたタイプである四重極重力放射線とは根本的に異なります。
物理的状況は、正の慣性質量を持つ反対符号の電荷のシステムに似ています。現在まで、双極子重力放射線の証拠は天文台によって記録されていません。双極子放射線の放出の可能性に対してこれらの機器によって課される観測限界は非常に厳しく、そのようなシステムが示すことができる特性は厳しく制限されます。
等価原理に厳密に従う負の質量のみが宇宙に含まれるシナリオであっても、これらの質量を含む連星系は、現在知られているものとは根本的に異なる重力波の痕跡を生成するでしょう。
- 総質量が負の系では、構成要素間に反発力が発生し、安定した長期にわたる連星軌道を形成することができなくなります。
- 負の質量が正の質量よりも小さい、総正の質量を持つシステムは円軌道を可能にしますが、収縮ではなく膨張によって進化し、減少する周波数のアンチチャープ信号を生成します。
- 総質量がゼロの系は、ペアが光速に向かって加速し、周期的な軌道運動を排除する物理的に制御されていない解に相当します。
アンチチャープは既知のマージの署名を反転します
従来の連星系と負の質量を含む連星系の挙動の違いは、基本的に軌道のエネルギー進化にあります。 2 つの正の質量を持つ従来の連星系では、軌道エネルギーは負から始まり、分離が減少するにつれて徐々に負になります。重力波の放射によってシステムがエネルギーを失うと、この損失によってシステムは螺旋化に向かって駆動され、周波数が徐々にかつ継続的に増加します。
逆に、総質量が正の正負系では、軌道エネルギーは正の値から始まり、分離が増加するにつれてゼロに向かって減少します。重力波の放出による同じエネルギー損失により、システムは収縮ではなく膨張します。この特性により、周波数が増加するのではなく徐々に減少するアンチチャープ信号が生成され、LIGO-Virgo-KAGRA コンソーシアムによってこれまでに検出されたすべての音源で観察されたパターンとは正反対のパターンを表します。
現在の重力波カタログにはアンチチャープ信号が存在しないため、観測可能な宇宙における負の質量を含む連星系の潜在的な個体数に直接的な観測上の制約が与えられ、たとえ存在するとしても、その普及率は極めて低いレベルに限定されます。
最近の発見により、負の質量存在量に関する疑問が再燃しました
ここ数カ月間、2 つの科学出版物が、宇宙に負の質量を持つ天体が豊富に存在する可能性を示唆しました。これらの提案は、数十年前に始まった議論を再活性化します。 1957 年、物理学者のハーマン ボンディは、一般相対性理論が数学的な観点から負の質量の存在を厳密に許容していることを証明する極めて重要な研究を発表しました。
その後、2015 年にロバート フォワードは、化学燃料や従来の燃料を必要とせずに、原則として負の質量を推進システムにどのように使用できるかを示す詳細な分析を発表しました。これらの理論的探求にもかかわらず、負の質量は実験室で構築および維持できるのか、それとも宇宙に自然に存在できるのかという重要な疑問は未解決のままです。
負の質量の存在は、基礎物理学に深刻で憂慮すべき結果をもたらすでしょう。このような物体はタイムマシンを設計するための構成要素として機能し、因果関係の原則に違反する可能性があります。この意味だけでも、負の質量が存在する場合、それは宇宙の因果構造を保存するまだ知られていないメカニズムによって制限されているに違いないことを示唆しています。
重力波天体物理学は予期せぬ発生源を明らかにしなかった
2015 年の歴史的な検出から始まった最近 10 年間の重力波観測により、強力な事象のカタログが作成されました。ただし、検出されたすべての発生源は、ブラック ホールの合体と中性子星の衝突という予測されたカテゴリに属します。この新たな観測フロンティアからは、まったく予想外の情報源が出現したわけではありません。
この結果は、天文学の歴史全体とは著しく対照的です。天文学者が電磁スペクトルの新しい帯域の天文台を開発するたびに、まったく予想外の現象が発見されます。電波望遠鏡は、宇宙マイクロ波背景放射、複雑な星間分子、高速電波バーストを明らかにしました。 X 線望遠鏡は、降着ブラック ホール、X 線背景放射、高エネルギー銀河団を発見しました。ガンマ線望遠鏡は、ガンマ線バースト、ガンマ線パルサー、宇宙ガンマ線背景放射を確認しています。
重力波にまったく新しい発見がないことは、新しい観測能力を通じて未知の現象を継続的に明らかにするというこの科学の伝統からの顕著な逸脱を表している。
新たな観測対象としての負の質量系
最近完了した研究は、具体的な提案を提供している。負の質量体を含む連星系は、観測されたものとは根本的に異なる特性を持つ重力波信号を生成するだろう。これらのシステムは、運用中および将来の重力波観測所にとって実行可能な新しいターゲットを構成します。
影響は 2 つあります。まず、負の質量が実際に宇宙に大量に存在する場合、そのような天文台はこれらの発生源を発見する可能性があります。第二に、これらの明確な特徴を検出しないことで、検出器は宇宙構造全体にわたる負の質量の豊富さに関してこれまでに達成された最も厳しい観測限界を確立することができ、宇宙の基本的な構成についての理解を大幅に洗練させることができます。
