アインシュタインは、GPSは、地球から遠く離れた星のペアに共通するものは何でしょうか？
答えは “重力赤方偏移」と呼ばれる現象です。 難しい名前だが、アインシュタインの相対性理論（の元となるもの）から導出される現象で、重力によって光の波長が長い方にずれることです。 目に見える光の場合、赤い光は青色光よりも波長が長いため、赤い方にずれるこのような名前になっています。 天文学者たちは、NASAのX線観測衛星「チャンドラ“を利用して、地球から約29,000光年離れた星のペアで重力赤方がを発見した。重力赤方が天文学だけでなく、私たちがGPSに正確な位置情報を取得するために考慮しなければならない現象があります。天文学者たちがどのように、今回の発見になったでしょうか。また、GPSをどのような関係があるでしょう？
■超小型天体「4U 1916-053」
事実重力赤方が自体はこれまでに観測された現象で、私たちの太陽系と銀河系の中心にある巨大なブラックホールの観測事例があるようです。 しかし、一般的に遠い天体ほど重力赤方がを観測することは難しく、今回チャンドラによる成果は、新しい天体の環境に重力赤方が証拠を発見したことがあります。
天文学者たちが観測したのは “4U 1916-053“と命名された天体です。ここには、二つの星がお互いの周りをぐるぐる回っています（Lianxingと呼ばれます）。 別一つは、相手の星の重力によって外層がはぎとらされた別のコアに太陽よりもはるかに重い天体です。その「相手の星」は、中性子星重い星が “超新星爆発」と爆発現象を起こした後に残った非常に重い天体です。先頭の画像は、想像もあるが、円盤の中心にあるのが中性子星、左側の明るいボールのようなものが他の星です。中性子星の重力によって相手の星の外層が引いて除去中性子星の周囲に円盤状の高温ガスで存在しています。
この二つの星は、地球と月の間の距離しか離れていません。天文学的には非常に近い月は地球の周りを約1ヶ月から1週間が4U 1916-053はわずか50ポイントで中性子星のまわりを一回りしてしまいます。 「超小型」と書きましたが、まさにその名の通りの天文学の論文で「ultra-compact」と表現されています。
■X線スペクトル分析
天文学者たちの研究チームは、チャンドラによる “X線スペクトル」を分析した。 X線の中にも様々な波長のものがあるが、スペクトルは波長ごとにX線の量を測定したものです。 観測結果の一例を示します。 X線の量が大幅に減ったのは「吸収線」とここで鉄の原子とシリコン原子によることがわかります。
X線観測衛星「チャンドラ」によるX線スペクトル。 左が鉄、右がシリコンによる吸収線。 灰色は観測データ、赤がデータに最も適したコンピュータモデル、青は地球から観測した場合の波長です。 Credit：NASA / CXC / University of Michigan / N. Trueba et al。
鉄・ケイ素の両方のX線を吸収することが予想される波長（図の青い縦線）付近では、X線が減っていることがわかります。 しかし、よく見ると、観測データは、よりわずかに右に（波長が長い=赤）に向かってずれています。 チャンドラによる観測は3回行われましたが、いくつかの観測データでも、このような違いがあることがわかりました。 これらの波長の違いは、天が私たちから離れていく場合も観察されるが、それだけにはこの違いを説明することができず、重力赤方がによるものと結論されます。
■GPSと関連
ところが、これが一般相対性理論とGPSにどのような関係があるでしょう？ アインシュタインの理論によると、重力の影響下にある時計は、より弱い重力の位置にある時計よりゆっくり進みます。 これは、地球にも同様に、地球を回る人工衛星は、地上に比べて、地球の重力の影響が多少弱く、地上の時計が遅く行われます。 GPSを使用衛星は、地上との通信時間を使用して、地上の位置を決定するためにGPSと高精度を得るためには、この点を考慮する必要があります。 この時間の進行方法の違いを重力赤方がの影響で補正しているのです。 （また、GPS情報は、そのほかにも、いくつかの補正が行われています。）
最初に書いたように、重力赤方が重力によって発生する現象で、X線を含むすべての光は、重力の影響を受けます。 例えば、（実際にはしてはいけませんが）の下りエスカレーターを駆け上がる止まっているか、上記のエスカレーターで同じことをするよりも、エネルギーを消費します。 このように、重力の影響下にある光は、エネルギーを失っているが、このときの光の波の頂点が一定時間に何度も来ているかは、「振動数」（周波数）も減少します。 光は真空状態で常に同じ速度であるため、同じ速度で一定の時間に来る波の頂点が少なくなる、すなわち頂点と頂点の間隔が広くなって、波長が長くなる（色は赤に向かってずれる）という結果になります。
■X線は、どこから来たのか？
研究チームは、中性子星の近くにあるガス大気（先頭の画像から青みがかった色で表示されています）がX線を吸収し、今回の結果を得たではないかと思います。 スペクトルで見ることができる吸収線の差が大きいので、アインシュタインの一般相対性理論と中性子星の標準質量を仮定して計算すると、この待機は中性子星から約2,400キロ離れたところに位置していることがわかりました。 2,400キロしかし、これは中性子星と相手の星との距離で見ると、わずか0.7％の距離にあり中性子星の非常に近くにあります。また、3試合のうち2回のデータからより赤い側ずれたスペクトルを見ることができており、信頼性は、まず、データに比べて低いが、ここで計算すると中性子の星から0.04％という非常に近い位置に対応することがわかりました。
スペクトルデータは、無味乾燥に見えるかもしれないが、そこから中性子星の強い重力が見え始めて、理論と結合して天体の活動の様子を描いてできるようになります。 研究チームは、今後、より多くの観察をしていく予定であり、より中性子星に近いところがいくつかの物理的なされているかどうかなどについて調査したいとします。
画像クレジット：NASA / CXC / M.ワイズ
出典： NASA、 CHANDRA X-Ray天文台
文/北越康敬
+ There are no comments
Add yours