A few weeks ago the world's gravitational wave astronomers announced something pretty wild.

数週間前、世界の重力波天文学者たちがかなり荒唐無稽なことを発表した。

The moderately confident detection of pervasive ripples in the fabric of space-time that presumably fill the cosmos.

宇宙を満たしていると推定される、時空の織物に広がる波紋を中程度の確信を持って検出した。

Detected by watching for subtle connections between the signals from rapidly spinning cores of dead stars in our galactic neighborhood.

銀河系近傍で急速に回転している恒星のコアからの信号の間に微妙なつながりがあるかどうかを調べることによって発見された。

In other words, the gravitational wave background has probably been detected using a pulsar timing array.

つまり、重力波のバックグラウンドは、おそらくパルサー・タイミング・アレイを使って検出されたのだろう。

The likely detection of the gravitational wave background is huge.

重力波のバックグラウンドが検出される可能性は非常に大きい。

Several channels have gotten to this news before us, but in our defense we did an episode on the slightly more tentative detection two years ago.

いくつかのチャンネルが私たちよりも先にこのニュースを取り上げているが、私たちの弁護としては、2年前にもう少し暫定的な検出に関するエピソードを紹介した。

Now the detection is on firmer footing and the basics have been thoroughly covered by ourselves and others, so we can dig a little deeper.

今、検出の足場は固まり、基本的なことは私たち自身や他の人たちによって徹底的にカバーされている。

Today I want to talk a bit about what it took to spot the gravitational wave background and then more about what it tells us about our universe.

今日は、重力波の背景を発見するために何が必要だったのか、そしてそれが私たちの宇宙について何を物語っているのかについて、少しお話ししたいと思います。

First up, let's take a moment to appreciate the awesomeness of this achievement.

まず最初に、この偉業の素晴らしさを堪能しよう。

We started with a deceptively simple idea.

私たちは、見かけによらずシンプルなアイデアから始めた。

And by we I mean humanity, but specifically the incidence of humanity named Albert Einstein.

私たちというのは人類のことだが、具体的にはアルバート・アインシュタインという人類の発生率のことだ。

The following thought popped into his head one day.

ある日、彼の頭に次のような考えが浮かんだ。

For a man falling from the roof of a house, there is no gravitational field.

家の屋根から落ちる人間には重力場はない。

This became the equivalence principle, which basically states that the feeling of weightlessness you have while falling is the same as the weightlessness in the absence of gravity, and the feeling of heaviness when accelerating is the same as that when stationary in a gravitational field, at least as far as the laws of physics are concerned.

これは等価原理と呼ばれるもので、基本的には、落下しているときの無重力感は重力がないときの無重力感と同じであり、加速しているときの重さは重力場で静止しているときの重さと同じである、というものである。

From the equivalence principle and one more axiom that the speed of light is constant for all observers, an inevitable chain of reasoning led Einstein to the general theory of relativity, which explains gravity as being due to the warping of space and time.

等価原理と、光の速度はすべての観測者にとって一定であるというもうひとつの公理から、必然的な推論の連鎖がアインシュタインを一般相対性理論へと導いた。

The equations of GR give us so much more than gravity.

GRの方程式は重力以上のものを与えてくれる。

They predict that gravitational fields slow clocks and deflect light, reveal the inevitability of black holes, and also predict that the fabric of spacetime should carry waves.

重力場が時計を遅らせ、光を偏向させ、ブラックホールの必然性を明らかにし、さらに時空の布が波動を運ぶはずだと予測している。

Gravitational waves were the last great prediction of general relativity to be experimentally verified, and that happened only in 2016 when LIGO spotted the spacetime ripples caused when a pair of black holes spiraled together and merged over a billion light years away.

重力波は、一般相対性理論が実験的に検証された最後の偉大な予言であり、それは2016年にLIGOが10億光年以上離れた場所で一対のブラックホールが螺旋状に合体したときに生じた時空の波紋を発見したときに起こった。

LIGO did this by measuring the literal stretchy and squishing of space using what amount to a pair of ultra-precise rulers a few kilometers in length, set at right angles to each other.

LIGOは、長さ数キロの超精密定規を互いに直角にセットし、文字通り空間の伸び縮みを測定することでこれを実現した。

In the eight years we've been doing this, we've observed the gravitational waves resulting from the final in-spiral of pairs of black holes and or neutron stars.

この8年間で、私たちはブラックホールと中性子星のペアが最終的に渦巻き状になることから生じる重力波を観測してきた。

These have masses from a few to a few tens times that of the sun.

これらの質量は太陽の数倍から数十倍である。

Our earth-based facilities were built to be sensitive to these, because we knew there should be lots of these sources of gravitational waves.

重力波の発生源がたくさんあるはずだとわかっていたからだ。

As waves, gravitational waves have wavelengths.

波としての重力波には波長がある。

An observatory will be sensitive to wavelengths that have a similar size to the detector arm, to its rulers.

天文台は、検出器のアームや定規と同じような大きさの波長に感度を持つ。

And in-spiraling stellar corpses generate wavelengths roughly equal to their orbital period times the speed of light, which is a few kilometers in the last seconds of that in-spiral.

そして、インスパイリングする恒星の死体は、その軌道周期に光速をかけた波長を発生させる。

The larger the orbit, the longer the wavelength.

軌道が大きいほど波長は長くなる。

The gravitational waves produced by binary stellar-mass black holes when they're further apart should be visible to the Laser Interferometer Space Antenna, LISA, with its 2.5 million kilometer arms of its laser-connected spacecraft, at least after it launches.

恒星質量の連星ブラックホールがさらに離れているときに発生する重力波は、レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）の250万キロのレーザー接続された探査機の腕で、少なくとも打ち上げ後には見えるはずだ。

But there are also gravitational waves that stretch for light-years, waves that no human-built device could hope to detect because we can't build galactic-scale rulers.

しかし、何光年にも及ぶ重力波も存在する。銀河規模の定規を作ることができないため、人間が作った装置では検出することができない波だ。

However, by happy chance, the galaxy has obliged and provided us with a network of natural rulers, the pulsars.

しかし幸運なことに、銀河系は我々に自然の支配者であるパルサーのネットワークを提供してくれた。

These are more clocks than rulers.

これは定規というより時計だ。

Pulsars are rapidly rotating and processing neutron stars whose jets sweep past the Earth, resulting in blips of electromagnetic radiation that repeat with extreme regularity, sometimes several hundred times per second.

パルサーは急速に回転する中性子星で、そのジェットが地球を通過する際に電磁波のブリップを発生させる。

Those ridiculously fast ones are called millisecond pulsars, and they are the most precise clocks in the universe, natural or unnatural.

そのとんでもなく速いものはミリ秒パルサーと呼ばれ、自然のものであれ不自然なものであれ、宇宙で最も正確な時計である。

But we wanted a ruler, not a clock.

しかし、私たちが欲しかったのは時計ではなく定規だった。

However, with the conveniently constant speed of light, a clock becomes a ruler if we just measure the travel time of light.

しかし、便利なことに光速が一定であるため、光の移動時間だけを測定すれば、時計は定規になる。

If a gravitational wave passes by the stream of incoming signals from a pulsar, it will stretch and compact the space between those pulses.

重力波がパルサーからの信号の流れのそばを通り過ぎると、パルサーとパルサーの間の空間が引き伸ばされ、コンパクトになる。

Measuring the change in pulse arrival time measures the gravitational wave.

パルスの到達時間の変化を測定することで、重力波を測定する。

This can, in principle, be used to spot individual gravitational waves.

これは原理的には、個々の重力波を見つけるのに使える。

But that's not what this new result is.

しかし、今回の結果はそうではない。

Several international collaborations have now been watching dozens of pulsars for over 15 years, using many of the largest radio telescopes on Earth.

現在、いくつかの国際的な共同研究が、地球上で最も大きな電波望遠鏡の多くを使って、15年以上にわたって数十個のパルサーを観測している。

These pulsar timing arrays don't yet have a sure signal from a single gravitational wave, but essentially all of these teams agree that their data reveal something that's arguably even cooler.

これらのパルサー・タイミング・アレイは、まだ1つの重力波からの確実なシグナルを持っていないが、基本的にすべてのチームが、そのデータが間違いなくさらにクールな何かを明らかにしていることに同意している。

All of spacetime, across the pulsar network but probably across the universe, is a bit wibbly wobbly.

パルサーネットワーク全体、そしておそらく宇宙全体の時空が、少しぐらついている。

They claim detection of the stochastic gravitational wave background, the jumbled overlap of the many many very weak but very long wavelength gravitational waves that must originate from across the known universe.

彼らは、確率論的重力波バックグラウンドの検出を主張している。これは、既知の宇宙全体から発生しているはずの、非常に弱いが非常に長い波長の重力波が多数、ごちゃ混ぜになって重なっているものである。

We don't know what creates the background yet.

何が背景になっているのかはまだわからない。

It could be echoes from the inflationary epoch, which kickstarted the big bang.

ビッグバンの発端となったインフレーションの時代からの反響かもしれない。

Or it could be universe-wide phase transitions from right after that.

あるいは、その直後からの宇宙規模の相転移かもしれない。

It could be cosmic string collisions in which fissures in spacetime tangle and split.

時空の亀裂が絡み合って分裂する、宇宙ひもの衝突かもしれない。

Or it could be the frolicking of galactic gigawales in galaxies far far away.

あるいは、はるか彼方の銀河系で銀河系ギガウェールが戯れているのかもしれない。

Probably not that, but we can hope.

おそらくそれはないだろう。

Most likely however, this gravitational wave background results from binary black holes.

しかし、最も可能性が高いのは、この重力波のバックグラウンドが連星ブラックホールに起因していることである。

Although in this case it's not from the individual tens of solar mass black holes seen by LIGO, we're probably seeing the reverberating tremors caused by binary pairs of behemoth supermassive black holes in the hearts of galaxies.

この場合、LIGOが観測した太陽質量の数十個のブラックホールからではなく、銀河の中心部にある巨大な超巨大ブラックホールの連星ペアが引き起こす残響のような揺れを観測しているのだろう。

These SMBHs with masses of millions to billions that of our sun are close to my own heart as a researcher, so I'm more than a little excited about what we can learn about them, and I'm going to spend some time talking about them today.

私たちの太陽と同じ数百万から数十億の質量を持つSMBHは、研究者である私にとって身近な存在である。

But first, let's start with an analogy to get a better picture of all this craziness.

しかし、その前に、このクレイジーさをよりよく理解するために、例え話から始めよう。

Take the surface of a still lake, and very rapidly stir it at one point with a pinpoint.

静止した湖の水面を、ピンポイントで一点を非常に速くかき混ぜる。

The expanding ripples are like the gravitational radiation detected by LIGO.

拡大する波紋は、LIGOが検出した重力放射のようなものだ。

Now, instead of one pinpoint spiral, stir the surface of the lake with many, many, I don't know, tree trunks or something, but much more slowly.

ピンポイントに螺旋を描くのではなく、木の幹か何かで湖面をかき混ぜる。

The entire lake is now covered in a jumble of very low frequency ripples that aren't distinguishable from each other.

湖全体が、互いに区別のつかない非常に低い周波数の波紋で覆われている。

This is similar to what the stochastic gravitational wave background should look like if it's caused by binary supermassive black holes.

これは、もし連星系超大質量ブラックホールによって引き起こされているとすれば、確率論的重力波の背景がどのように見えるべきかということと似ている。

LIGO is tiny compared to the resulting spacetime ripples.

LIGOは、結果として生じる時空のさざ波に比べれば小さなものだ。

Both of its arms are affected to the same degree by these light-years-long oscillations, and so it doesn't notice their passage.

その両腕は、何光年もの長さの振動の影響を同じ程度受けているため、その通過に気づかないのだ。

But the relative distances to pulsars are affected by these enormous waves, and so they should cause observable shifts in the timing of their pulses as we observe them.

しかし、パルサーまでの相対距離はこの巨大な波の影響を受けるため、私たちが観測するパルサーのタイミングに観測可能なずれが生じるはずだ。

These ripples are messy, apparently random or stochastic.

これらの波紋は乱雑で、明らかにランダム、あるいは確率的である。

So how can we be sure that we're even seeing gravitational waves?

では、どうすれば重力波が見えていると確信できるのだろうか？

After all, there are various reasons why the rate of a pulsar's signal may change.

結局のところ、パルサーの信号の速度が変化するのにはさまざまな理由がある。

Pulsar rotation rates can slow down or speed up, and the travel time of their signals to us can be affected by more than gravitational waves, for example passing through a region of ionized gas slows the radio light.

パルサーの自転速度は遅くなったり速くなったりすることがあり、パルサーの信号が私たちに届くまでの時間は重力波以外にも影響を受ける。

But all of these things should affect each pulsar individually, or at worst affect groups of pulsars that are in one particular direction.

しかし、これらのことは、それぞれのパルサーに個別に影響を与えるか、最悪の場合、ある特定の方向にあるパルサーのグループに影響を与えるはずだ。

However, gravitational waves cause the pulse rates of pulsars across the galaxy to change in ways that are correlated with each other.

しかし、重力波は銀河系全体のパルサーのパルスレートを互いに相関するように変化させる。

Imagine signals travelling to us from different pairs of pulsars.

異なるパルサーのペアから私たちに信号が届くと想像してみてほしい。

Those signals could be travelling together if the pulsars are near each other on the sky, or they could be travelling to us from opposite directions on the sky, or the signals could be travelling at right angles to each other, or they could be situated in between those extreme cases.

これらの信号は、パルサーが上空で互いに近接している場合は一緒に伝わっているかもしれないし、上空で互いに反対方向から我々に向かって伝わっているかもしれないし、信号が互いに直角に伝わっているかもしれないし、それらの極端なケースの中間に位置しているかもしれない。

Any gravitational wave that makes up part of the gravitational wave background will also be travelling through the galaxy in some direction relative to both of those pulsar signals.

重力波バックグラウンドの一部を構成する重力波もまた、銀河系内をこれらのパルサー信号の両方に対してある方向に進行していることになる。

In some cases, that relative direction will cause both pulse rates to be affected in the same way, correlated, and in some cases they'll be affected in opposite ways, or anti-correlated.

場合によっては、その相対的な方向によって、両方の脈拍数が同じように影響され、相関することもあれば、逆に影響され、反相関することもある。

For example, you would get a correlated pulsar timing shift if both pulsar signals are surfing the same gravitational wave, or if 180-degree separated pulsar pairs encounter a gravitational wave moving at right angles to both of their signals.

例えば、両方のパルサー信号が同じ重力波に乗っている場合や、180度離れたパルサーのペアが両方の信号に対して直角に動く重力波に遭遇した場合、相関のあるパルサー・タイミング・シフトが得られる。

You'd get an anti-correlated shift if the pulsar signals are travelling at right angles to each other because of the way gravitational waves ultimately stretch and squish space at 90 degrees as they pass.

パルサーの信号が互いに直角に伝わっている場合、重力波が通過するときに最終的に空間を90度に伸ばしたり縮めたりするため、反相関のシフトが生じる。

The correlation, or anti-correlation, due to a single gravitational wave is extremely difficult to pick out from all the sources of noise.

一つの重力波による相関、あるいは反相関を、すべてのノイズ源から選び出すのは極めて難しい。

However, if you look at enough pairs of pulsars for enough time, you expect to see a statistical correlation in what we call the pulsar timing residual, that's the amount of deviation from the very precise expected arrival time of these pulses.

しかし、十分な数のパルサーのペアを十分な時間調べれば、パルサータイミング残差と呼ばれる、パルスの非常に正確な到着予想時刻からのずれの量に統計的な相関が見られることが予想される。

This is the Helling's-Downs curve, it's the theoretical correlation between pulsar timing residuals for pairs of pulsars as a function of their separation on the sky.

これはヘリングス・ダウンズ曲線で、パルサー・タイミングの残差の理論的な相関関係を、パルサーの対の天空上の距離の関数として表したものです。

Pulsars with little separation should be highly correlated.

分離の少ないパルサーは相関が高いはずである。

Pulsars with 180-degree separation should be somewhat correlated.

180度離れたパルサーは、ある程度の相関があるはずだ。

Pulsars with 90-degree separation should be anti-correlated.

90度離れたパルサーは反相関しているはずである。

Okay, so how are the real pulsars behaving?

では、実際のパルサーはどのような振る舞いをしているのだろうか？

Well, this is the result published by the Nanograv Collaboration.

さて、これがNanograv Collaborationが発表した結果である。

This is for every combination of pairs for 67 pulsars observed over the last 15 years.

これは、過去15年間に観測された67個のパルサーについて、すべてのペアの組み合わせについてである。

And it's very consistent with our Helling's-Downs curve.

そしてそれは、我々のヘリングズ・ダウン曲線と非常に一致している。

Nanograv claims that this is from 3.5 to 4 sigma depending on the statistical analysis used.

ナノグラフ社では、使用する統計分析によって3.5から4シグマになると主張している。

That means it's not quite a slam-dunk 5-sigma detection in that the apparent correlation could still have popped out of the random noise by a 1 in thousands chance.

つまり、数千分の1の確率で、ランダムなノイズの中から見かけ上の相関が飛び出してくる可能性があるという点で、5シグマの検出はスラムダンクとは言い難い。

But it's looking increasingly likely that the correlations are real.

しかし、その相関関係は本物である可能性が高まっている。

The same results have been observed by other pulsar timing array experiments with varying degrees of confidence.

他のパルサー・タイミング・アレイ実験でも、信頼度の差はあれ、同じ結果が観測されている。

Now we can start looking into what we can learn about the universe from this observation.

さて、この観測から宇宙について何がわかるかを調べ始めよう。

But before we do that, let's pause for a moment to appreciate how crazy this achievement really is.

しかし、その前に、この偉業がいかにクレイジーなものであるかを理解するために、少し立ち止まってみよう。

Remember that we started with a simple thought experiment about the experience of someone falling off a roof.

誰かが屋根から落ちる経験についての単純な思考実験から始めたことを思い出してほしい。

That what-if scenario led us all the way to actual observation of galactic-scale spacetime ripples.

このwhat-ifのシナリオは、銀河系スケールの時空波紋を実際に観測するところまで私たちを導いてくれた。

But spacetime ripples from what?

しかし、時空の波紋は何から生じるのか？

I've been talking about binary supermassive black holes because that's what the Nanograv team thinks that this is.

私が連星の超大質量ブラックホールについて話してきたのは、ナノグラフ・チームがこれがそうだと考えているからだ。

The type of timing correlation that was observed is what you'd expect from many, many sources of gravitational waves that are a. powerful and low frequency, b. randomly distributed across the cosmos, and c. randomly polarized so no preferred direction for the stretching and squishing of space from any given wave.

観測されたタイミングの相関関係は、a.強力で周波数が低く、b.宇宙全体にランダムに分布し、c.ランダムに偏光しているため、任意の波による空間の伸縮に好ましい方向がない、多くの重力波の発生源から予想されるものである。

Any such population of sources should give you this characteristic curve.

このようなソースの集団であれば、このような特性曲線が得られるはずだ。

So why SMBHs?

では、なぜSMBHなのか？

Well they do potentially fit the requirements, but just as importantly, we know they should exist.

しかし、それと同じくらい重要なのは、彼らが存在するべきだということだ。

We know that every galaxy contains a huge black hole at its center, and we know that bigger galaxies are made from smaller galaxies combining, and that bigger galaxies have bigger black holes.

すべての銀河の中心には巨大なブラックホールがあり、大きな銀河は小さな銀河が組み合わさってできていること、そして大きな銀河には大きなブラックホールがあることを知っている。

It only stands to reason that there are a good number of binary supermassive black holes out there, even if we haven't directly detected them yet.

まだ直接検出されていないとしても、連星系の超大質量ブラックホールが相当数存在するのは当然だ。

Any other source of gravitational wave background like this is much more speculative, and we do talk about those in our previous episode.

このような重力波背景の他の発生源は、もっと推測の域を出ない。

Okay, so what does this signal tell us about the giant black holes assuming they're the cause?

では、巨大ブラックホールが原因だと仮定した場合、この信号は何を教えてくれるのだろうか？

The pulsar timing data contains more information than the Hellings-Downes correlation.

パルサーのタイミングデータは、ヘリングス・ダウネス相関よりも多くの情報を含んでいる。

We also learn about the frequencies of the underlying waves.

また、基礎となる波の周波数についても学ぶ。

For binary black holes, the frequency of the outgoing gravitational wave is basically the rate at which the monsters orbit each other.

連星ブラックホールでは、重力波の周波数は基本的に、モンスター同士が互いに公転する速度となる。

If we can see what different frequencies make up the jumbled mess of the gravitational wave background, we can learn something about those black hole orbits.

もし、重力波の背景のゴチャゴチャを構成している異なる周波数がわかれば、ブラックホールの軌道について何かわかるかもしれない。

In particular, we can learn how they spiral together and eventually merge.

特に、それらがどのように螺旋を描き、最終的に融合するのかを学ぶことができる。

For example, if those binaries spent a lot of time orbiting each other at a great distance, then there should be a very strong low frequency signal.

例えば、これらの連星が遠く離れた軌道を長時間周回していたとしたら、非常に強い低周波信号があるはずだ。

This is the nanograv frequency spectrum.

これがナノグラブの周波数スペクトルである。

Those grey, funny shapes represent the strength of each frequency observed in the gravitational wave background.

灰色のおかしな形は、重力波のバックグラウンドで観測された各周波数の強さを表している。

The dashed line is what we expect from a simple model of how supermassive black holes grew and formed binary pairs over cosmic history.

破線は、宇宙の歴史の中で超大質量ブラックホールがどのように成長し、連星ペアを形成したかという単純なモデルから予想されるものである。

It's not inconsistent with the data, but there's a hint of difference compared to the simple model prediction.

データとの矛盾はないが、単純なモデル予測と比べるとほのかな違いがある。

Perhaps there's too much high frequency signal, or too little low frequency signal.

高周波信号が多すぎるか、低周波信号が少なすぎるのかもしれない。

The nanograv collaborations speculate that the latter could be due to the binary supermassive black holes interacting with the stars in their surrounding galaxies, causing them to spiral together quicker than without that interaction.

ナノグラブの共同研究チームは、後者について、連星型超大質量ブラックホールが周囲の銀河の星と相互作用し、相互作用がない場合よりも早く渦巻きを起こすためではないかと推測している。

There's also a hint that the gravitational wave background is a bit stronger than expected from the simple binary black hole model, which means that the SMBH pairs may be more massive than expected, or there may be more of them.

また、重力波の背景が単純な連星ブラックホールモデルから予想されるよりも少し強いというヒントもある。これは、SMBHのペアが予想よりも質量が大きいか、あるいはもっと多い可能性があることを意味している。

But this is all very loose, and there isn't enough data yet to make any truly conclusive statements.

しかし、これはすべて非常に緩やかなもので、真に決定的なことを言うにはまだ十分なデータがない。

But that data is coming.

しかし、そのデータは来る。

With this spectacular result, you can be sure that our pulsar timing array projects will continue.

この素晴らしい結果によって、我々のパルサー・タイミング・アレイ・プロジェクトが今後も継続されることを確信できるだろう。

Now the longer we watch, the larger these arrays get, both in size and number of pulsars.

現在では、観測を続ければ続けるほど、これらのアレイの大きさもパルサーの数も大きくなっている。

That's because gravitational waves will have time to traverse larger distances and affect the timing of more distant pulsars.

それは、重力波がより大きな距離を伝わる時間を持ち、より遠くのパルサーのタイミングに影響を与えるからだ。

For example, in Nanograv's 12.5 year data release they included 47 pulsars, while at 15 years they could include 67.

例えば、ナノグラフ社の12年半のデータには47個のパルサーが含まれていたが、15年では67個のパルサーが含まれていた。

As the pulsar timing array gets larger, and as we track the correlations between pulsar pairs for longer, we hope this detection of the gravitational wave background becomes rock solid.

パルサー・タイミング・アレイが大きくなり、パルサー・ペア間の相関関係をより長く追跡できるようになれば、重力波背景のこの検出が揺るぎないものになることを期待している。

Then we can really start to pin down its origin and use our new galaxy scale observatory to study those mysterious cosmic cataclysms that are sending tremors through the fabric of all space time.

そうすれば、その起源を突き止め、新しい銀河規模の天文台を使って、すべての時空に激震を与えている神秘的な宇宙の激変を研究することができる。

Thank you to Opera for supporting PBS.

PBSをサポートしてくださっているオペラ社に感謝します。

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