量子力学を使った重力波検出の新手法―レーザーなしで遠方の宇宙を探る
ブルックヘブン国立研究所のポール・スタンカスが率いるチームが、NASAの先端概念研究所（NIAC）の資金を受け、重力波検出の新しい方法を提案している。その特徴は、従来型の宇宙干渉計が必須としてきたレーザー光のリンクを廃止し、量子力学を活用する点にある。
現在の重力波検出手法の限界
重力波天文学は2015年に初めて検出された以降、大きな進歩を遂げた。しかし検出器の精密測定を実現する工学的課題は今なお残っている。現在の重力波検出方法は大きく二つのカテゴリーに分かれている。
LIGOに代表される地上設置型の検出器は、恒星質量ブラックホールと中性子星の衝突によって生じる毎秒10～10,000ヘルツ程度の比較的高い周波数の重力波を捉える。一方、パルサータイミングアレイ（PTA）は、死亡した回転する星の時間計測を数十年単位で観測することで、ナノヘルツレベルの背景振動を検出する。
そして間もなく新たな宇宙干渉計LISAが加わる予定だ。LISAは超大質量ブラックホールの合体から生じるミリヘルツ帯の重力波を検出する。だがこれでもLISAとPTAの間に大きなギャップが残る。それはマイクロヘルツ領域である。
レーザーリンクに代わる新しい観測方法
理論上、LISA類似の宇宙干渉計はマイクロヘルツレベルの感度に到達できる。しかし実際には工学的な悪夢だという。従来の干渉計は物理的あるいは光学的な接続を必要とし、宇宙ベースの干渉計の場合、それはレーザービームの形をとる。数百万キロメートル離れた宇宙空間に浮かぶ鏡どうしでレーザーを反射させ、完璧で絶え間ない光学リンクを維持することは事実上不可能に近い。
スタンカスの提案はこのレーザーリンクを完全に排除する。宇宙船間の距離変化を測定する代わりに、重力波そのものの位置測定シグネチャを観測する構想だ。つまり、太陽系を通過する重力波によって生じた背景星のわずかな動きを監視しようというもの。重力波が接近すると時空が一時的に歪み、背景にある星々が微小で協調的な動きを見せるのだ。
この動きを測定するには干渉計が依然として必要だが、スタンカスと彼のチームが提案するのはハンベリー・ブラウン・トウィス効果（HBT効果）と呼ばれる量子現象を利用することである。チームはこれを「二光子振幅干渉計」として実現させた。
システムの構築には、まず二つの中程度の大きさの宇宙船をロケットで軌道投入する必要がある。重要な点は、レーザーで接続する必要がなく、完全に独立して飛行できることである。両宇宙船は同じ時刻に同じ星々を観測し、超高速の単一光子検出器が捉えたあらゆる情報に対して非常に正確なタイムスタンプを記録する。これらのタイムスタンプと光子の計数値は地球に送信され、スーパーコンピューターが到着時刻を比較する。
量子力学の法則に従えば、二つの異なる宇宙船に到着した光子は「量子バンチング」と呼ばれる微視的な相関を示す。スーパーコンピューターは、恒星光が（すなわち二つの別々の光子が）実際に接触することなく、恒星光の位相干渉を計算できるはずだという。位相がシフトすれば、星の見かけの位置が動く。そして複数の星がそれらしい通常の振動パターンでそれを行えば、それは重力波の存在を示唆する。
チームはすでに2023年の論文によると、実験室でこの概念の机上版を製作し、動作を確認している。NIAC資金を受けた今後9ヶ月の間の目標は、この概念が宇宙空間に浮遊する衛星にまでスケーラブルであることを証明することである。成功すれば、この技術は宇宙の最も暗い秘密の一部を探る、まったく新しい方法の基盤となる可能性がある。
出典: Universe Today
