中性子星合体GW170817が変えた宇宙論：重力波と光が与えるダークエネルギー候補理論への制約
深淵なる宇宙の加速膨張とダークエネルギーの謎
宇宙は現在、加速しながら膨張していることが観測によって明らかになっています。この加速膨張を引き起こしている未知のエネルギー成分こそが、「ダークエネルギー」と呼ばれているものです。宇宙全体のエネルギーの約7割を占めるとされるダークエネルギーですが、その正体は現代宇宙論における最大の謎の一つです。
ダークエネルギーの候補としては、アインシュタインが導入した宇宙項のような、宇宙空間そのものが持つエネルギーであるとする考え方が最も単純で有力視されています。しかし、これ以外にも、宇宙を満たす未知の素粒子や場であるとする説、あるいは私たちがいま理解している重力の法則が宇宙スケールで修正されるべきだとする「修正重力理論」など、様々な理論が提唱されています。これらの候補の中から真実を見分けるためには、様々な観測や実験を通じて、ダークエネルギーの性質や宇宙の膨張の歴史をより詳しく調べることが不可欠です。
近年、このダークエネルギーの謎に迫る新たな観測手段として、重力波天文学が注目を集めています。
重力波で探る宇宙：中性子星合体の重要性
「重力波」とは、ブラックホールや中性子星のような非常に重い天体が高速で運動したり合体したりする際に、時空が歪むことで発生する「時空のさざ波」です。2015年に初めて直接検出されて以来、重力波天文学は宇宙の新たな窓として、私たちに多くの発見をもたらしてきました。
特に、中性子星同士が合体する現象は、重力波天文学において非常に重要なターゲットです。中性子星合体からは重力波だけでなく、ガンマ線やX線、可視光、電波といった様々な電磁波（光）も同時に放出されると考えられています。このように、一つの天体現象から重力波と光の両方を観測する手法は、「マルチメッセンジャー観測」と呼ばれ、宇宙の謎を解き明かす強力なツールとなります。
GW170817：重力波と光の同時観測がもたらしたブレークスルー
2017年8月17日、私たちは天文学において歴史的な出来事を目撃しました。米国のLIGOおよび欧州のVirgo重力波検出器が、史上初めて中性子星合体から発生したと思われる重力波を検出したのです（イベント名：GW170817）。さらに驚くべきことに、この重力波イベントが発生した場所からは、そのわずか1.7秒後にガンマ線バーストが観測され、その後数週間から数ヶ月にわたって可視光などの様々な電磁波が観測されました。これは、重力波と光の同時観測という、まさに待望のマルチメッセンジャー観測の成功例となりました。
このGW170817の観測は、ダークエネルギー、そして宇宙論全体に大きなインパクトを与えました。
重力波の速度が光速とほぼ同じであることの意義
最も直接的な発見の一つは、重力波の伝播速度が光速と極めて近いという事実が、高精度で検証されたことです。GW170817の重力波とガンマ線が、約1億3000万光年という途方もない距離を旅して、ほとんど同時に地球に到着したことは、重力波と光が宇宙空間をほぼ同じ速度で進んできたことを強く示唆しています。
この一見単純な発見が、実はダークエネルギーの候補である「修正重力理論」の一部に非常に強力な制約を与えたのです。修正重力理論の中には、宇宙の加速膨張を説明するために、重力波の伝播速度が光速からずれると予言するものがありました。しかし、GW170817の観測によって、重力波の速度が光速とほぼ同じであることが高い精度で示されたため、重力波の速度を光速から大きくずらすような修正重力理論の多くが排除されることになりました。
これは、様々なダークエネルギー候補がある中で、観測によって候補を絞り込むという点で、宇宙論研究における重要な一歩です。宇宙の加速膨張を説明するためには、重力波の速度を変えない、あるいはほとんど変えないようなメカニズムが必要であることが示されたのです。
また、中性子星合体を観測することで、その重力波信号の強さから地球までの距離を推定し、同時に得られる電磁波からその天体の後退速度（宇宙膨張による遠ざかる速さ）を知ることができます。これは、超新星を使う場合と同様に、宇宙の膨張率を示すハッブル定数を測定する新たな手法となります。この手法は「標準サイレン」と呼ばれ、超新星とは異なる物理に基づいているため、ハッブル定数測定の精度向上や、異なる測定方法間の不一致（ハッブル定数問題）の解決にも貢献する可能性を秘めています。GW170817を用いたハッブル定数の初期測定値は、まだ精度は限定的ですが、今後の多くの標準サイレンの観測によって、その役割は増していくと期待されています。
今後の展望：マルチメッセンジャー天文学とダークエネルギー探求
GW170817の観測は、マルチメッセンジャー天文学がダークエネルギーの正体を探る上で極めて強力なツールとなることを明確に示しました。重力波と光を組み合わせることで、宇宙の膨張を引き起こすメカニズムや、それが重力法則の修正によるものなのかどうかについて、以前は得られなかった種類の情報を得られるのです。
現在運用されているLIGO、Virgo、KAGRAといった重力波望遠鏡ネットワークに加え、将来的にさらに感度の高い望遠鏡が建設されれば、より多くの中性子星合体イベントが観測されるでしょう。これにより、重力波速度に関する制約はさらに厳しくなり、ダークエネルギー候補理論の絞り込みが進むと考えられます。また、多くの標準サイレンを観測することで、宇宙膨張の歴史をより正確に描き出し、ダークエネルギーの性質を精密に調べることが可能になるはずです。
重力波と光の共演によって明らかになる宇宙の姿は、深淵なるダークエネルギーの謎に迫り、私たちの宇宙理解を大きく前進させる鍵となるかもしれません。今後のマルチメッセンジャー天文学の進展から目が離せません。