最近の研究では、地球の自然衛星である月を、重さ約73京トンの巨大な重力波検出器として使用する可能性が詳述されています。関与した科学者らは、この天体はこれらの波の通過によって生成される地震信号を増幅できる可能性があると示唆しています。
よりよく理解するために、重力波は時空の歪みであり、1916 年に一般相対性理論の一部としてアルバート アインシュタインによって最初に予測されました。
ノーベル賞受賞者でカリフォルニア工科大学と関係のある物理学者バリー・C・バリッシュは、この理論では質量またはエネルギーのクラスターが時空を変えると論文で説明した。これらの物体の形状や位置の変化により歪みが生じ、その歪みが光の速度で宇宙全体に広がり、重力波の特徴となります。
これらの波を検出するのは簡単な作業ではありません。 2015 年になって初めて、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) によって初めてそれらが特定され、確認されました。
LIGOのような装置は、動作させるのにかなりのサイズを必要としますが、動作原理は比較的理解しやすいです。
シェフィールド大学のエド・ドー教授は論文の中で、重力波干渉計を構築するには、北と西など異なる方向に向けられた管内のペアの鏡の間を進む2本の光線だけが必要であると説明しました。
重力波の通過により、空間は一方向に伸び、垂直方向には収縮します。
地球上では、この動作により鏡の動きが最小限に抑えられ、一方のペア間の距離が減少し、もう一方のペア間の距離が増加します。実際、この動きは時空の伸縮に対する鏡の反応です。
では、どうやって月をそのような装置に変えることができるのでしょうか?この概念には、その表面に検出器を構築することは含まれていませんが、地震学のサポートを得て、自然衛星自体をセンサーとして使用することが含まれています。
重力波が月を通過すると、天体はわずかに伸縮すると予想されます。中心的な前提は、設置された地震計に到達する結果として生じる地震振動を測定することによって、この変形を記録することです。
グラン・サッソ科学研究所のヤン・ハームス氏は、重力波は初期宇宙のような非常に遠い場所から来て月に到達し、月を鐘のように振動させるだろうと説明した。同氏によれば、月面にセンサーを設置して、その変形や振動を検出することが可能だという。
実はこの構想は最近のものではなく、アポロ時代にまで遡ります。たとえば、NASA のアポロ 17 号ミッションでは、この方法で重力波を検出することを目的として、月面重力計実験装置が月面に設置されました。
しかし、装置は設置後も満足に動作せず、月面通過中に重力波は確認されなかった。
月面の凹凸をどう考えるか
最近の研究で、中国科学院と北京大学の研究者は、この性質の検出器がどのように機能するかのモデリングの改善を目指しました。
これまでの試みでは、月のクレーターや不規則な表面を無視して、月の理想的なモデルが使用されていましたが、このチームは、自然の衛星をより忠実に表現した新しいものを開発しました。
科学者グループは論文の中で、理論モデルは月が潜在的な共鳴検出器であることを示しているが、その凸凹した表面と不均一な内部の未知の影響により、その応答を正確にモデル化することが困難だったと指摘している。彼らは、これまでのものよりも現実的であると考えられる、重力波に対する月の反応の最初の高解像度二次元モデルを作成することによって、この長年の不確実性を解決したと主張している。
このモデルの助けを借りて、チームは重力波信号が最も簡単に検出できる月上の位置を特定することができました。その目的は、初の広帯域月地震計を搭載する中国の嫦娥7号ミッションの着陸地点の選択を支援することである。
この手順中に、研究者らは、特に現在の地上の検出器では調査が困難または不可能な重力波周波数の信号を大幅に増幅できる領域の存在を発見した。
研究チームは、地殻が厚い地域では地震信号が平均して10％増幅する可能性があることを明らかにした。特定の制限された周波数範囲では、この増幅は 1 桁を超える場合もあります。
さらに、彼らは、地殻が厚い地域、特に月の裏側の高地では常に重力波信号の増幅が見られるため、重力波の検出の可能性が高まることを強調した。
地震計の開発と着陸地点の精度についてはさらなる研究が必要ですが、人類が月全体を使って重力波の検出を開始できる可能性は信頼できます。
北京大学の天体物理学教授、シェン・チェン氏は、月はこれまで考えられていたよりも重力波に応じて「より激しく共鳴する」可能性があると付け加えた。同氏は、歴史的に分析に欠けていた要素は月の地殻の厚さの変動だったと説明した。専門家は、現在の研究は将来の月の地震計を設置する場所を選択するための基礎であり、より良い情報に基づいた決定ができれば、月の地震学プロジェクトからの科学的利益が大幅に向上すると考えています。
