Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

宇宙の探偵物語：幽霊と波紋を追って

宇宙を、巨大で混沌としたコンサートホールだと想像してみてください。長い間、私たちは耳を使って音楽を聴くことしかできませんでした。つまり、光、電波、X線などを検出することです。しかし2015年、私たちはついに、ホールの振動そのものを「感じる」ことができる新しい種類の楽器を作り上げました。それが重力波です。これは、ブラックホールや中性子星のような巨大な天体が衝突することによって引き起こされる、時空の布地のさざなみです。ドラマーが見えなくても、巨大なドラムが叩かれた時に床が揺れるのを感じるようなものです。

同時に、ニュートリノと呼ばれる別の宇宙のメッセンジャーも存在します。これらは、宇宙をほとんど何にもぶつかることなく突き進む、幽霊のような極小の粒子です。これらは、巨大な星の死の間際のような、宇宙で最も激しい爆発の中で生成されます。非常に捉えるのが難しいため、一つを見つけ出すことは、砂嵐の中にある特定のたった一粒の砂を見つけ出すようなものです。

科学者たちには大きな疑問があります。これら二つの事象は同時に起こるのでしょうか？巨大な星が爆発したり、死んだ星同士が合体したりするとき、重力による「ドスン」という衝撃と、高エネルギーのニュートリノという「幽霊」を同時に送り出すのでしょうか？もし同じイベントから両方を捉えることができれば、それはドラムの鼓動を聞きながら、同時にドラマーが光を放つのを見るようなものです。それは、どのような種類の宇宙の暴力がその信号を作り出したのかを正確に裏付けることになります。この論文は、世界で最も敏感な検出器を用いて、これら二つのメッセンジャーが現場を押さえられるよう試みている天文学者たちのチームについて書かれています。

偉大なる宇宙の狩り

この研究において、研究チームは宇宙の探偵のように振る舞い、特定の種類の犯罪現場を探しました。それは、南極のIceCube観測所によって検出された高エネルギー・ニュートリノです。IceCubeは氷の中に深く埋められた巨大な検出器であり、あの幽霊のようなニュートリノが原子に衝突して青い光のフラッシュを生み出すのを待っています。IceCubeが有望なニュートリوを検知すると、「おい、あっちの方で何か大きなことが起きたぞ！」というアラートを送ります。

チームの仕事は、そのニュートリノのアラートが出た正確な時刻と方向において、LIGOおよびVirgo重力波検出器のデータを調べ、時空のさざなみを同時に感じ取ったかどうかを確認することでした。例えるなら、もしIceCubeがある特定の家から叫び声を聞いたとしたら、重力波検出器は、その瞬間に床が揺れたかどうかを確認する隣人なのです。

研究者たちは、単に二つのブラックホールが合体するような特定の種類の衝突だけを探したわけではありません。彼らは「ジェネリック（汎用的）」な探索を行いました。これは、衝突、爆発、あるいは奇妙な唸り音など、あらゆる「奇妙な音」に対して耳を澄ませるようなものです。彼らは、検出器の第3次主要観測ラン（O3として知られる）の間にIceCubeが送出した23件のニュートリノ・アラートを調査しました。信号が全く同じ瞬間に到着しない場合に備えて、ニュートリノが到着する500秒前から到着後500秒までの時間枠でデータをチェックしました。

判決：宇宙のホールに響く沈黙

洗練された分析を実行した後、チームは見つけたものは……何もありませんでした。正確には、ランダムな背景ノイズよりも強い重力波信号の証拠は見つかりませんでした。それはまるで、ある家から叫び声を聞いたのに、床をチェックしてみたら完全に静止していたようなものです。

この論文は、これらの特定のニュートリノ・イベントが、彼らが検出可能な距離内で強い重力波を生み出すような激しい合体や爆発によって引き起こされたという考えを明確に否定しています。彼らは「決定的な証拠（スモーキング・ガン）」を見つけられませんでした。しかし、これはニュートリノが実在しなかったことを意味するのではなく、もしそれらが宇宙の爆発によって引き起こされたのであれば、その爆発が現在の検出器で聞き取れるほど強い重力波を送らなかったか、あるいは遠すぎたことを意味しています。

結果の確実性を期すため、チームはシミュレーションを行いました。データのなかに偽の重力波信号を注入し、どれくらいの距離にある光源であれば聞こえるかをテストしたのです。その結果、連星中性子星の合体（二つの死んだ星の衝突）であれば、約3,000万から6,000万光年（30–60 Mpc）以内で発生していれば見つけることができたはずだと分かりました。ブラックホールが中性子星を飲み込む現象であれば、約7,000万から1億4,000万光年（70–140 Mpc）まで見ることができました。その他の、よりエキゾチックな種類の信号については、その到達範囲は数千万から数億光年まで変化しました。

これらの距離内で信号が見つからなかったため、彼らは「排除限界（exclusion limits）」を設定しました。これは、「もしこのような光源がこの距離内に存在していたなら、私たちはそれを見つけていたはずだと90%の確信を持って言える。見つからなかったということは、おそらくそこには存在しなかった」ということを、専門的に表現したものです。

チームはまた、彼らの探索が「アンモデルド（非モデル化）」であったことも指摘しています。これは、二つの星が螺旋状に合体していく特定のパターンだけでなく、あらゆる形状の波を探していたことを意味します。これにより、既知のイベントに特化した探索よりも感度は低くなりますが、奇妙で予期せぬ信号を捉えることが可能になります。何も見つからなかったという事実は、ニュートリノが重力波を作らないソースから来たのか、あるいはソースが現在の技術では感じ取れないほど単純に遠かったかのいずれかであることを示唆しています。

次なる展開は？

論文は、今回の特定の狩りは空振りに終わったものの、その手法は有効であり、検出器は進化していると結論づけています。チームは、今後、深宇宙からのものである可能性がさらに高い別の種類のニュートリノ・イベント（「カスケード」アラートと呼ばれるもの）を調査できると述べています。また、方向特定能力が向上した新しいアラート・カタログが間もなく利用可能になることにも触れており、それが探索の精度を高める助けとなるでしょう。

今のところ、宇宙のホールはこの特定のニュートリノに関して静まり返っています。しかし、探索は続いています。検出器の新しいランが行われるたびに、チームは少しずつ耳を澄ませ、いつの日か、宇宙の端から届く完璧な「叫び」と「揺れ」の同時発生を捉えられることを願い続けています。