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ジャナ・レヴィン 宇宙が奏でる音

私たちは宇宙が静かなものだと考えがちです。しかし、宇宙にはサウンドトラックがあります」レヴィンは語りかける。ここでは、85万ビューを超える Janna Levin のTED講演を訳し、宇宙が奏でる音(宇宙音)について理解する。

要約

私たちは、宇宙が静かなものだと考えがちです。しかし物理学者のジャナは、宇宙にはサウンドトラックがあると言います。それは(ブラックホールが空間をドラムのように叩くように)宇宙で起きる劇的なイベントの記録による協奏曲で、私たちの意識を広げてくれる音の体験です。

Janna Levin is a professor of physics and astronomy at Barnard, where she studies the early universe, chaos, and black holes. She’s the author of “How the Universe Got Its Spots” and the novel “A Madman Dreams of Turing Machines.”

 

1 月が見えるのも反射光のおかげ

改めて振り返れば 現在に至るまで この宇宙について私たちが 知っていることの多くは 宇宙からの光を観測することで 確かめられてきました。夜空を見上げれば肉眼でも 沢山の星を観ることができますし 昼間に太陽を観れば目を痛めてしまいます。月が見えるのも反射光のおかげです。ガリレオが初歩的な望遠鏡を天体へと向けて以来 我々の頭の中にある宇宙は 悠久の時をかけて地球まで届いた 光によって作られてきたのです。今や 現代の望遠鏡を使うことで 私たちは 息をのむほど美しい 宇宙の「無音の映像」を集めてきました。こうして集められた画像は ビッグバンまでの宇宙の歴史を遡るアルバムです。

 

2 宇宙には空間そのものによって奏でられる音がある

しかし 宇宙には実は音があり 「無音の映像」などではないのです。今から皆さんに 宇宙には サウンドトラックがあるということを知ってもらいましょう。その宇宙の音楽は 空間そのものによって奏でられます。空間はドラムの様に震え 宇宙のあちこちで起きる 劇的なイベントの記録を 音にして響かせるのです。それでは この宇宙の音を 私たちが集めてきた 壮大な宇宙の映像に 加えてみたいと思います。これまで空間の奏でる音を聴いてこなかった私たちは これから数年のうちにもっと 空間のボリュームを上げた方がいいと思いますよ。

 

3 ブラックホールの音は空間をドラムのように叩いている音

ここで私たちは 宇宙の音を聴こうという試みの中で ブラックホールと その性質に注目しました。なぜならブラックホールはハンマーがドラムを叩くように 時空を叩き 非常に面白い音を聴かせてくれるからです。これから私たちが予測した その音を再現してみせます。ブラックホールは 暗い宇宙の中の暗い物体です。直接目で見ることはできません。少なくとも 光を用いて直接の観測はできません。あくまで間接的に観測を行います。ブラックホールは星を破壊し デブリをまき散らし 周囲をめちゃくちゃにするのでその存在がわかるのです。しかし 光で直接観測することはできません。いつか明るく輝く背景の中で ブラックホールの影を見ることができるかもしれませんが それもまだです。とは言え 見えないブラックホールも 聴くことなら可能かもしれません。空間をドラムのように叩いているんですからね。

 

4 宇宙空間にエネルギーや質量が置かれた時 空間は曲げられる

そもそも空間がドラムのように鳴るというアイデアは 我らがアルバート・アインシュタインに負っています。アインシュタインは もし空間が空っぽだったなら その構造はこの様になると考えました。格子線はもちろん実際にはありませんよ。しかし もし私たちが空間を自由落下しているとしたら こんな格子が描かれていなくても 自分で簡単に描くことができるでしょう。なぜなら 落下運動は宇宙の中を 歪みの無い直線に沿って進む 運動だからです。ここからが要点ですよ。アインシュタインはまた 宇宙空間にエネルギーや質量が置かれた時 空間は曲げられると考えました。何かが そうですね 例えば太陽の すぐそばを自由落下していたとすると その何かは 宇宙の湾曲に沿って運動することになります。これがアインシュタインの偉大なる一般相対性理論です。光すらこの歪みによって曲げられます。そして 地球の運動が太陽に曲げられ ついに太陽の周りに捉えられる あるいは月が地球の周りに捉えられる これも空間の湾曲です。

 

5 太陽を直径6kmの小ささまで押しつぶしたらブラックホールができる

ただアインシュタインが気付かなかったのは もし太陽を 直径6kmの小ささまで押しつぶしたとしたら つまり 地球の100万倍の質量を 6kmの小ささまで押しつぶしたとしたら ブラックホールができるということです。あまりにも密度が高く 光さえ近づきすぎれば二度と逃げることはできない 宇宙の中の 暗い影です。このことに気付いたのはアインシュタインではなく カール・シュヴァルツシルトでした。彼はユダヤ系ドイツ人で第一次大戦時には ドイツ軍に加わりロシアとの戦線で活動していた 既に周囲に認められた科学者でした。私はよく シュヴァルツシルトが塹壕で 大砲の弾道軌道を計算しながら その合間に アインシュタインの方程式を計算しているという絵を 想像することがあります。アインシュタインが発表した一般相対性理論に 素早く目を通し その理論に興奮したシュヴァルツシルトは すぐにその方程式のとんでもない解を 見つけました。その解が示すものは 異常なものでした。空間そのものが 深い穴の淵に向かって 滝のように吸い込まれていき 光さえも逃げることのできない 空間の湾曲です。光も他のあらゆるものと同様 穴へと引きずり込まれ 後には影しか残りません。

 

6 ブラックホールは質量の大きな星の最後の状態

彼はアインシュタインへ向けて 「ご覧の通り 戦争が 銃撃戦を除けばとてもよくしてくれたおかげで 日常の煩わしさから逃れ あなたの着想を 深く考える時間がとれました」 と手紙を書き アインシュタインは 彼の算出した正確な解に感銘を受けました。科学者としての熱心さにも感銘を受けたのでしょう。アインシュタインは翌週には シュヴァルツシルトの着想を プロイセン科学アカデミーに持って行きました。しかしアインシュタインは ブラックホールは数学的な特異解でしかなく 自然界に実際に存在するものではないと考えていました。彼は自然が我々を守ってくれると信じていたのです。それが実際に存在する天体だとわかるまでは ブラックホールという言葉が 提唱されてから 何十年もかかりました。ブラックホールは 非常に質量の大きな星が その寿命を迎える最後の段階で 潰れて死んだ状態なのです。

 

7 太陽はブラックホールにはならないが、思考実験はできる

太陽はブラックホールにはなりません。質量が足りませんから。しかし アインシュタインが好んでそうしたように 私たちも思考実験を 行うことはできます。太陽が直径6kmまで潰れたとしましょう。そして小さな地球がその周りを回っています。ブラックホール化した太陽から 30kmほど離れた所でしょうか。この地球は自ら光りを放っています。太陽はもう光を放たず 他に光源がないと困りますから 地球は光を放つ恒星だとしましょう。すると このぺしゃんこのブラックホールから 30kmしか離れていない 軌道でも 地球は公転を続けます。この潰れたブラックホールは マンハッタンにすっぽり入る程の大きさです。地球を飲み込む時にはハドソン川に はみでることもあるかもしれませんが とにかくそのような マンハッタンの半分の大きさに収まる程の 物体についての思考実験です。

 

8 地球はブラックホールの裏に隠れることはできない

ではここに地球を近づけてみましょう。30kmまで近づけます。地球は異常なくブラックホールの周りを公転しています 「ブラックホールは 宇宙の全てを吸い込んでしまう」という俗説がありますが 実際に吸い込まれるにはかなり近づく必要があります。ここで面白いのは 宇宙に浮かぶ観察者の目には 常に地球が映るということです。地球はブラックホールの裏に隠れることはできません。光の一部は吸い込まれますが 一部は屈折し 回り込むからです。ブラックホールの裏に隠れることはできません。もし「宇宙空母ギャラクティカ」で サイロンと戦っているシーンだとしたら 「ブラックホールに隠れるな! 奴らに見つかるぞ!」といったところでしょうか。

 

9 影の領域に入ると何も観察できなくなる

改めて 太陽はブラックホールにはなりません。質量が足りないのです。しかし この銀河には何万ものブラックホールがあります。もしそのひとつが天の川にかかれば このように見えることでしょう。天の川の数千億という星と 輝く塵の川の中に ブラックホールの影を見ることができます。もしそのブラックホールに近づいていくとすれば その背後から曲げられた全ての光を見ることができます。しかし ひとたび影の領域に入ると もう何も観察することはできなくなります。そこからは どう逃げようと頑張っても 無駄な抵抗でしかありません。もはや光ですら逃れることはできないのです。

 

10 トンネルを抜けると光が見える臨死体験

しかし ブラックホールは外から見て暗いと言っても その中は暗くありません。銀河からのあらゆる光がブラックホールへと吸い込まれるからです。そして 相対論の効果として知られる時間遅延によって ブラックホールに吸い込まれる私たちの 時計の進みは遅くなりますが 私たちの目には 銀河の展開は 早送りで飛び込んでくるようになります。それも観察者が潰される瞬間までですが。こんな風にトンネルを抜けると光が見えるなんて 臨死体験みたいですね。まあこれは完全な死の体験なのですが (笑) そしてこのトンネルを抜けた先の光がどんなものか 伝えられる人は存在しません。

 

11 空間はブラックホールから拡散しながら伸縮し、宇宙を激しく叩く

私たちはブラックホールの影を見た事がありません。しかし その姿は見えなくても 聴く事はできる筈です。ふたつのブラックホールが長い間一緒に過ごしているという 物理的には十分可能性のある状況を想像してみてください。そのとちらもが ブラックホールになってしまったかつての星です。両方とも太陽の10倍の質量と考えてください。つまり 今度は60kmの直径まで潰されているという状況です。それらはお互いの周りを 毎秒数百回というスピードで周り 最後にはほとんど光の早さで 互いに回り合うようになります。つまり ほんの一瞬で数千キロも 運動することになります。その間 周りの空間を歪ませるだけでなく 通る道筋の空間を鳴り響かせるのです。文字通り 時空の波です。空間は ブラックホールから 拡散しながら 同時に伸び縮みし 宇宙を激しく叩きます。そして その波は 光の速さで伝わっていきます。

 

12 発散する赤い波が重力波

こちらのシミュレーションは NASAのゴッダード宇宙研究所のグループのものです。30年程かけてこの問題を解いたグループの ひとつがここのグループです。ご覧頂いているのは お互いの周りを回るブラックホールです。図示されているのは空間の歪みです。そして 見えるでしょうか。かなり薄いのですが 発散する赤い波が見えるなら それが重力波です。これは文字通り空間の響きのことで 光の速さでブラックホールから発散し 鳴り響きながら 結局は回転するブラックホールと 融合します。もし近づくことができたなら みなさんの耳も空間の 伸び縮みに共鳴するはずですよ。まあ もちろんその時には みなさんの頭も伸び縮みしている訳ですから 何が起こっているのかはわからないだろうと思いますが。では その音はどんなものなのか。私たちの予測はこの様なものです。

 

13 小さいブラックホールが大きいブラックホールに吸い込まれる場面

これは私たちのグループのものです。ちょっと豪華さの劣るモデルですが 比較的軽いブラックホールが 非常に重いブラックホールに吸い込まれる場面です。この音は 軽い方のブラックホールが重い方に近づくにつれ 空間を激しく叩く音です。遠く離れたところにある時は とても静かです。しかしだんだんと空間を叩き始め ドラムのように震わせていきます。その音は予測することができます。吸い込まれるにつれ だんだんと速く そして大きな音になるでしょう。そして最後には 小さい方が大きい方に飲み込まれる音が聴こえます (音) これが最後です。私もこんなに大音量で聴くのは初めてで感動しました。家で聴く時は拍子抜けするようなものなんですよ。ding, ding, dingという感じで。

 

14 細かな振動がブラックホールが融合する時の特徴的な音

これはまた私たちのグループの予測した音です。あ 画像はありません。ブラックホールは目に見える形の 痕跡を残しませんからね。そして空間も塗られていません。歪みもわからないですね。ですが宇宙の休日にその辺りを漂っていたら こんな音が聴こえるはずです。遠くへ逃げたくなりますね (笑) この騒音から離れたいところです。ブラックホールは運動を続け ふたつのブラックホールは互いに近づいていきます。ずいぶん震えています。そして遂に融合します (音) お終いです。この細かな振動が ブラックホールが融合する時の 特徴的な音です。これが 私たちが宇宙の映像から 予測した音になります。

 

15 地球表面の観測装置「LIGO」と空間の挙動を調べる「LISA」

幸運にも私たちは遠く離れたカリフォルニアのロング・ビーチで 安穏としていますが こうしている間にも この宇宙でふたつのブラックホールが 融合したことでしょう。その「音」は 100万光年の距離を旅し 100万年の時を経て 私たちのすぐ側の空間にも届くでしょう。しかしその音は本当にかすかで 未だに聴いた人はいません。そこで人類は地球の表面に 観測装置を作りました。そのうちひとつは「LIGO」と呼ばれ 4kmに渡る空間の伸び縮みを 原子核のサイズ以下の正確さで 探知できます。非常に野心的な実験装置です。この正確さも数年のうちにさらに向上するでしょう。この他にも 空間の挙動を調べる「LISA」という ミッションが提唱されており 10年以内には スタートする見込みです。LISAは 太陽の何百万倍の さらに何十億倍という大きな質量を持った ブラックホールを観測できると 考えられています。

 

16 「ビッグバン」という言葉はもともと冗談で生まれた

このハッブル望遠鏡の映像の中に ふたつの銀河が見えます。このふたつの銀河は 互いに抱き合ったまま止まっているように見えます。そして そのどちらもの中心に 非常に質量の大きなブラックホールがあると考えられています。しかし この銀河は止まってはいません。合体しようとしているのです。ふたつのブラックホールは衝突し 何十億年という時間スケールで合体しようとしているのです。これは人間が音を聴く時の時間感覚を 遥かに超えています。しかし LISAはこのふたつのブラックホールの 最期の音を 歴史を先回りして計算し 予測することができます。ブラックホールがひとつになる最期の15分を予測できるのです。さらに この装置で観測できるのは 大きな空間の歪みであればブラックホールに限りません。中でも一番大きなものと言えばビッグバンです 「ビッグバン」という言葉はもともと冗談で生まれました 「宇宙が『でっかいバーン!』で始まったとでも?」が始まりです。ですが この表現はかなったものかもしれません 実際にバーンという音が 鳴ったかもしれませんからね。

 

17 ビッグバンの音は未だに私たちの周りに残っている

Proton Studiosの友人が作ったこのアニメーションは ビッグバンを外から観た様子を示しています。実際にこんな観察は無理ですよ。私たちは宇宙の中にいて 「宇宙の外から観る」ことなんてありませんから。ではあなたがビッグバンの中にいると想像してください。どこもかしこも 辺り全てビッグバンです。空間はぐちゃぐちゃに揺れています。その時以来140億年が経ちましたが ビッグバンの音は未だに私たちの周りに残っています。銀河が生まれ 大量の星が銀河の中で生まれました。そのうち一つの星 少なくとも一つの星は 人類が住むことができる星です。その星で私たちは夢中になってこんな観察を行って 計算して コンピュータのコードを書いています。

 

18 ノイズこそ全ての宇宙の創造のこだま

今から10臆年前に ふたつのブラックホールが 衝突したと想像してみてください。その音は今に至るまで空間を震わせています。私たちには未だに 聴こえない音です。時は経ち 4万年前 私たちは洞窟に絵を描いていました 「早く、観測装置を作ってください!」 さらに時は経ちます。そして この先20年かそこらで 人類の作る観測装置は より高い性能を持つことでしょう。そんな装置ができて 宇宙の音を観測することができた時 宇宙の最初の音を観測することができた時 本当にビッグバンを観測することができた時 その音はこのような音でしょう。不快な音です。これは文字通り「ノイズ」の定義で ホワイトノイズとも呼ばれる不規則な振動です。この音は 私たちの周囲に溢れていると推測されています。そして宇宙の他の作用によって かき消されていないと考えられています。そう思うと もしこの音を拾えたなら そのノイズはきっと音楽として聴こえるでしょう。なぜならこのノイズこそ全ての宇宙の 創造のこだまなのですから。

 

19 ビッグバンはひとつだけだろうか?

これから数年のうちに 宇宙の 「音量」を上げることが可能になるでしょう。そして もし原始の宇宙の音を 探知することができた時 全ての始まりビッグバンについて もっと理解が進むはずです。人類が悩み続けてきた とらえどころのない 非常に難しい疑問の答えにつながるかもしれません。宇宙の歴史を逆再生すれば 遠い過去にビッグバンが起きたことがわかります。その不協和音だって いつか聴くことができると思います。しかし それはただひとつのビッグバンだったのでしょうか? ここで考えるのをやめてはいけません。それ以前にもあったのか? これから先もまた起きるのか? TEDの 不思議を突き詰める精神において 少なくともトーク最期のこの瞬間には 永遠に答えが出ないかもしれない問いかけだって 追い続けてみましょう。

 

20 この宇宙は 壮大な歴史のほんのごく一部でしかないのか?

問いかけなくてはいけません。この宇宙は 壮大な歴史の ほんのごく一部でしかないのでしょうか? この宇宙は 沢山の宇宙のうちのひとつでしかないのでしょうか? それぞれの宇宙にはビッグバンがあり そのうちいくつかの宇宙ではブラックホールが 鳴り響き そのうちいくつかの宇宙では感覚のある生物が生まれ 過去にでも 未来ででもなく 今 私たちと何かをシェアしているのでしょうか? 考えなくてはいけません。いくつもの宇宙があるとしたら そのたくさんの宇宙のどこかに 生命が存在するでしょうか? ここ地球には私たち生命がいます。多くの宇宙のどこかに生命がいるでしょうか? 私たちのことを考えているでしょうか。彼ら自身の起源について考えているでしょうか。もしそうならば 私はきっと 彼らも同じく 計算をし コンピュータコードを書き 宇宙のかすかな音を聴くために 観測装置を作り 自分たちの起源について そして宇宙に存在する 他の生命について考えていることと思います。ありがとうございました(拍手)

最後に

宇宙には空間そのものによって奏でられる音がある。ブラックホールの音は空間をドラムのように叩く音。空間はブラックホールから拡散しながら伸縮し、宇宙を激しく叩く。地球表面の観測装置「LIGO」と空間の挙動を調べる「LISA」。ビッグバンの音は未だに私たちの周りに残っている。ノイズこそ全ての宇宙の創造のこだま

 

和訳してくださった Tatsuaki Iriya 氏、レビューしてくださった Kyizom Lily Yichen Shi 氏に感謝する(2011年3月)。


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