月に重力波観測所を設置すべき理由はここにあります

科学者たちは 2015 年に長年予測されていた重力波を初めて検出し、それ以来、研究者たちはより優れた検出器を求めてきました。 しかし、地球は暖かく、地震の騒音が大きいため、地球に設置された検出器の有効性は常に制限されます。

月は新しい重力波観測所に適した場所でしょうか? それは可能性があります。 望遠鏡を宇宙に送ることはうまくいきましたし、月にGW天文台を設置することも可能かもしれませんが、その提案は明らかに非常に複雑です。

天文学のほとんどは光に関するものです。 より良く感じれば感じるほど、私たちは自然についてより多くのことを学ぶことができます。 ハッブルや JWST のような望遠鏡が宇宙にあるのはそのためです。 地球の大気は望遠鏡の画像を歪め、赤外線などの一部の光をさえ遮断します。 宇宙望遠鏡はこれらの問題の両方を回避し、天文学に革命をもたらしました。

重力波は光ではありませんが、重力波を感知するには非常に高い感度が必要です。 地球の大気が望遠鏡の観測に「ノイズ」をもたらす可能性があるのと同様に、地球の地震活動も重力波検出器に問題を引き起こす可能性があります。 月には、ダイナミックで常に変化する地球に比べて、地震活動がはるかに少ないという大きな利点があります。

月に地震活動があることはアポロの時代から知られていました。 しかし、地球とは異なり、その活動のほとんどは潮汐力と小さな隕石の衝突に関連しています。 また、その地震活動のほとんどは地球よりも弱く、はるかに深いものです。 これは、月重力波アンテナ (LGWA) を開発している研究者の注目を集めています。

LGWA の開発者は、新しい論文「月の重力波アンテナ: ミッション研究と科学事例」を執筆し、 arXiv プレプリントサーバー。 筆頭著者は、インドのバンガロールにあるタタ基礎研究所国際理論科学センターの物理学者/天体物理学者であるパラメスワラン・アジスです。 アジスは、LIGO 科学コラボレーションのメンバーでもあります。

月の重力波観測所 (GWO) は、周波数カバー範囲のギャップをカバーするでしょう。

「月の大きさと月の地震背景によって予想されるノイズを考慮すると、LGWAは約1mHzから1HzのGWを観測できるだろう」と著者らは書いている。 「これにより、LGWAは、数ミリヘルツ付近のピーク感度を持つLISAのような宇宙搭載検出器と、アインシュタイン望遠鏡や宇宙探査機のような将来提案されている地上検出器との間のミッシングリンクになるでしょう。」

LGWAが建設されれば、惑星規模の検出器アレイで構成されることになる。 月の独特な条件により、LGWAは重力波科学への大きな窓を開くことができるだろう。 月には、背景の地震活動が非常に低く、著者らはこれを「地震の沈黙」と表現している。背景ノイズがないため、より高感度の検出が可能になる。

月の永久影領域 (PSR) 内の温度も非常に低くなります。検出器は過冷却する必要がありますが、PSR 内の低温によりその作業が容易になります。 LGWA は、月の極の 1 つにある PSR クレーターにある 4 つの検出器で構成されます。

LGWA は、革新的な科学的成果をもたらす可能性のある野心的なアイデアです。 電磁スペクトル全体で観測する望遠鏡や、マルチメッセンジャー天文学と呼ばれるニュートリノや宇宙線の検出器と組み合わせると、宇宙の出来事全体に対する理解が進む可能性があります。

LGWA は、宇宙爆発を検出するためのいくつかの独自の機能を備えています。 「潮汐破壊現象（TDE）やSNe IaのようなWD（白色矮星）が関与する天体物理現象を観測できるのはLGWAだけだ」と著者らは説明する。 彼らはまた、中性子星を含む太陽質量コンパクト連星の合体について、数週間、場合によっては数カ月前に天文学者に警告できるのはLGWAだけだと指摘している。

LGWAは、宇宙初期のより軽い中間質量ブラックホール（IMBH）連星も検出できるだろう。 IMBH は、私たちのような銀河の中心に今日の超大質量ブラック ホール (SMBH) を形成する役割を果たしました。 天体物理学者には、ブラックホールとブラックホールがどのように進化したのかに関して多くの未解決の疑問があり、LGWAはそれらのいくつかの答えに役立つはずです。

私たちの銀河系外での二重白色矮星（DWD）の合体も、LGWAだけが感知できるであろう現象である。 これらはハッブル定数の測定に使用できます。 何十年にもわたって、科学者たちはハッブル定数のより精密な測定値を取得してきましたが、依然として不一致があります。

LGWA は月についても詳しく教えてくれるでしょう。 地震観測により、月の内部構造がこれまで以上に詳細に明らかになるでしょう。 その形成、歴史、進化については科学者にもまだわかっていないことがたくさんあります。 LGWAの地震観測は月の地質学的過程も明らかにするだろう。

LGWA のミッションはまだ開発中です。 実装する前に、科学者はそれを設置する予定の場所について詳しく知る必要があります。 そこで、予備的なサウンドチェックミッションが登場します。

2023 年、ESA は月の科学活動の予備プールにサウンドチェックを選択しました。 サウンドチェックは、地震面の変位、磁気変動、温度を測定するだけでなく、技術実証ミッションでもあります。 「Soundcheck テクノロジーの検証は、展開、慣性センサーの仕組みと読み出し、熱管理、プラットフォームのレベリングに焦点を当てています」と著者らは説明します。

天文学、天体物理学、宇宙論、および関連する科学的取り組みにおいて、私たちは常に、宇宙と私たちが宇宙にどのように適合するかについての新たな発見と新たな理解の瀬戸際にいるように思えます。 いつもそう見えるのは、それが真実だからです。 人類はその能力をますます向上させており、まだ始まったばかりではありますが、GW 科学の出現と繁栄はそれを実証しています。 科学者たちが最初の GW を検出してから 10 年も経っていません。

ここから事態はどうなるでしょうか？

著者らは論文の中で、「GW科学の十分に開発されたロードマップにもかかわらず、GWを通じた宇宙の探査はまだ初期段階にあることを認識することが重要である」と述べている。 「天体物理学と宇宙論に多大な影響が期待されることに加えて、この分野は予期せぬ根本的な発見が起こる可能性が高いです。」