量子重力の探求: 物理学者がブラックホールの宇宙リングに注目

ホイットニー・クラビン、カリフォルニア工科大学 2023 年 5 月 29 日

カリフォルニア工科大学主導の研究は、ブラックホールの衝突によって生じる時空の波紋の中に量子重力の兆候を探求する、アインシュタインの一般相対性理論の新たな厳格なテストを提案している。 1 つの研究では、以前の研究に基づいて量子重力理論内のブラック ホールの挙動の方程式が提示され、2 つ目の研究では、この方程式を重力波観測所 LIGO からのデータに適用して、一般相対性理論からの潜在的な逸脱を検出する方法が提案されています。

New methods will allow for better tests of Einstein's general theory of relativity using LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ライゴデート。

アルバート・アインシュタインの一般相対性理論は、時空の構造、または時空が質量に応じてどのように湾曲するかを説明しています。 たとえば、私たちの太陽は、地球が漏斗に投げ込まれたビー玉のように太陽の周りを転がるように、私たちの周囲の空間を歪めます（地球の横向きの運動量により、地球は太陽に落ちません）。

この理論は 1915 年に提案された当時は革新的であり、重力を時空の湾曲として捉え直しました。 この理論は私たちの周りの空間の性質そのものに関わる基礎的なものであるのと同じくらい、物理学者らは、これで話が終わるわけではないかもしれないと言う。 その代わりに、一般相対性理論と量子物理学を統合しようとする量子重力理論には、私たちの宇宙が最も深いレベルでどのように機能するかの秘密が隠されていると彼らは主張している。

Dongjun Li 氏と彼の共同研究者の方程式は、一般相対性理論を超えた領域でブラックホールがどのように鳴り響くかを説明しています。 クレジット: カリフォルニア工科大学

One place to search for signatures of quantum gravity is in the mighty collisions between black holes, where gravity is at its most extreme. Black holes are the densest objects in the universe—their gravity is so strong that they squeeze objects falling into them into spaghetti-like noodles. When two black holes collide and merge into one larger body, they roil space-time around them, sending ripples called gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">重力波はあらゆる方向に広がります。

リ・ドンジュンさん。 クレジット: カリフォルニア工科大学

The National Science Foundation-funded LIGO, managed by Caltech and MIT, has been routinely detecting gravitational waves generated by black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 2015 年以降、ブラックホールの合体が発生しています (パートナー天文台であるおとめ座と KAGRA は、それぞれ 2017 年と 2020 年に探索に参加しました)。 しかし、これまでのところ、一般相対性理論はテストに次ぐテストに合格しており、破綻する兆候はありません。

Now, two new Caltech-led papers, in Physical Review X and Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Physical Review Letters では、一般相対性理論をさらに厳格なテストにかける新しい方法について説明しています。 ブラックホールの構造と、ブラックホールが生み出す時空の波紋をより詳しく観察することで、科学者たちは、量子重力の存在を示唆する一般相対性理論からの小さな逸脱の兆候を探している。

「2つのブラックホールが合体してより大きなブラックホールが生成されるとき、最後のブラックホールは鐘のように鳴り響きます」とカリフォルニア工科大学の物理学教授であり、両方の研究の共著者であるヤンベイ・チェン（博士号'03）は説明する。 「特定の量子重力理論が正しければ、リンギングの質、またはその音色は一般相対性理論の予測とは異なる可能性があります。私たちの方法は、高調波や高調波など、このリンギング段階の質の違いを探すように設計されています。たとえば倍音とか。」

カリフォルニア工科大学の大学院生であるドンジュン・リー氏とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の大学院生であるプラティック・ワグル氏が共同研究を行った最初の論文は、ブラックホールがどのように鳴り響くかを説明する新しい単一方程式を報告している。特定の量子重力理論、または科学者が超一般相対性理論と呼ぶもの。

Sizheng Ma. クレジット: Caltech

この研究は、カリフォルニア工科大学の理論天体物理学のロビンソン教授であるソール・トイコルスキー (博士号 '73) が 50 年前に開発した画期的な方程式に基づいています。 トイコルスキーは、時​​空幾何学の波紋がブラックホールの周囲にどのように伝播するかをよりよく理解するために複雑な方程式を開発しました。 スーパーコンピューターが一般相対性理論に関連する多くの微分方程式を同時に解く必要がある数値相対性理論とは対照的に、トイコルスキー方程式は使用がはるかに簡単で、リー氏が説明するように、問題に対する直接の物理的洞察を提供します。

「ブラックホール合体に関するアインシュタイン方程式をすべて解いて正確にシミュレーションしたい場合は、スーパーコンピューターに頼らなければなりません」とリー氏は言う。 「数値相対性理論は、ブラックホール合体を正確にシミュレートするために非常に重要であり、LIGO データを解釈するための重要な基盤を提供します。しかし、物理学者にとって、数値結果から直接直観を引き出すことは非常に困難です。トイコルスキー方程式は、私たちに直感的な見方を与えてくれます。リングダウンフェーズで何が起こっているのか。」

リーと彼の共同研究者らは、トイコルスキーの方程式を採用し、それを一般相対性理論を超えた領域のブラックホールに適応させることに初めて成功した。 「私たちの新しい方程式により、アインシュタインの予測よりもエキゾチックなブラックホールの周りを伝播する重力波をモデル化して理解することができます」と彼は言います。

Yanbei Chen. クレジット: Caltech

Physical Review Letters に掲載された 2 番目の論文は、カリフォルニア工科大学の大学院生 Sizheng Ma 氏が率いるもので、LIGO とそのパートナーが次の観測実行で取得した実際のデータに Li の方程式を適用する新しい方法について説明しています。 このデータ分析アプローチでは、一連のフィルターを使用して、一般相対性理論によって予測されるブラック ホールのリンギングの特徴を除去し、潜在的に微妙な、一般相対性理論を超えた兆候を明らかにすることができます。

「LIGO、Virgo、KAGRA が収集するデータから、Dongjun の方程式で記述される特徴を探すことができます」と Ma 氏は言います。 「Dongjun は、大規模な複雑な方程式を 1 つの方程式に変換する方法を発見しました。これは非常に役に立ちます。この方程式は、私たちが以前に使用していた方法よりも効率的で使いやすいです。」

2 つの研究は互いによく補完し合っている、と Li 氏は言います。 「私は最初、方程式が予測する特徴が複数の倍音や倍音の下に埋もれてしまうのではないかと心配していました。幸いなことに、Sizheng のフィルターはこれらの既知の特徴をすべて除去できるため、違いだけに焦点を当てることができます。」と彼は言います。

チェン氏はさらに、「リー氏とマー氏の研究結果は協力すれば、私たちのコミュニティの重力探査能力を大幅に高めることができる」と付け加えた。

参考文献:

「一般相対性理論を超えた回転ブラックホールの摂動: 修正されたトゥコルスキー方程式」Dongjun Li、Pratik Wagle、Yanbei Chen、Nicolás Yunes 著、2023 年 5 月 25 日、物理レビュー X.DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029

「モードクリーニングによるブラックホール分光法」Sizheng Ma、Ling Sun、Yanbei Chen著、2023年4月4日、Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401

The first study, titled "Perturbations of spinning black holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky equation," was funded by the Simons Foundation, the Brinson Foundation, and the National Science Foundation (NSF). Other authors include Nicolás Yunes of the University of Illinois at Urbana-Champaign. The second study, titled "Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning," was funded by the Brinson Foundation, the Simons Foundation, NSF, and the Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Ling Sun of the Australian National UniversityFounded in 1946, the Australian National University (ANU) is a national research university located in Canberra, the capital of Australia. Its main campus in Acton encompasses seven teaching and research colleges, in addition to several national academies and institutes." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">オーストラリア国立大学も共著者です。