午前 2 時 40 分、携帯電話で目が覚めました。私たちの少なくとも 1 人は常にシフト制で、2010 年 9 月のその夜、アラート システムからの自動テキスト メッセージに応答することを志願しました。
当時大学院生だった私 (Jonah) は、LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) と Virgo と呼ばれる 2 つの重力波観測所向けの最初の迅速な応答アラート ソフトウェア パイプラインの構築を手伝っていました。このシステムは、データが到着したときに天体物理学的信号を検索し、信号が有効であるかどうかを確認できる人々に警告し、必要に応じて世界中の天文学者とメッセージを共有するように設計されています。すべてのアラートは、1916 年にアインシュタインによって予測された、時空の構造を通過する波の人類初の直接観測である肯定的な検出の可能性を運びました。
私はベッドから起き上がり、眠そうな目をしながら、アパートにある小さなワークステーションまで歩きました。私はそれを知りませんでしたが、アラートはプロフェッショナルで感情的なジェットコースターの始まりでした.イベント データベースにログインし、プロットの閲覧を開始しました。私は長い間眠い目をしていませんでした。プロットは異常に大きな信号を示しました。さらに劇的なことに、波形は、私たち全員が見たいと望んでいた「チャープ」パターンを示しました。これは、一対のブラック ホールからの重力波放出の特徴であり、渦巻き状に渦巻いてから合体したものです。鳴き声はシミュレーションでよく知っていましたが、自然に現れるのを見た人は誰もいませんでした。ヘッドフォンを差し込んで、電話会議に飛び乗りました。
アメリカとイタリアに散らばる私たち 9 人は、結果について話し始め、真実であるにはあまりにも良いことと格闘しました。私たちの心は高鳴っていました。私たちは迅速な決定を下す必要がありました。この劇的な信号が何らかの間違いである場合、それ以上進む必要はありませんでした.約 30 分間の議論の後、私たちは信号が有効であることに同意し、ボタンを押してロボット望遠鏡のコレクションに刺激を与え、視線をソースの場所に向けました。私たちのログノートは、通常は乾いていて、その夜、私たち全員が考えていたことを記録しています。非常に強力で重要なイベント…」
重力波が存在するというアインシュタインの予測は、数十年にわたって理論物理学者によって議論されてきました。それが最終的に受け入れられるまでには1960年代までかかりました。それから半世紀が経った今でも、それらを直接検出した例は一度もありませんでした。今夜はすべてが変わる可能性があり、私は発見の一部になるように思えました.
そうではないかもしれません。
前回の消防訓練を覚えていますか?これが本物だったらどうしよう、と緊張した瞬間はありましたか？それが、その 9 月の夜、私たちの頭の中を駆け巡る考えでした。
約 1 年前の 2009 年の秋、LIGO と Virgo のコラボレーションは、私たち自身のデータを偽造できるメカニズムを設定することに合意しました。重力波検出器にシミュレートされた信号を秘密裏に追加し、その事実を他の人から隠す権限を持つ小さなチームを作成しました.
これは、最初は不必要に自虐的な行為のように思えるかもしれません。時空を陽子の直径よりも小さく歪ませる波紋を測定することは、十分に困難です。それに加えて、なぜ私たちは自分自身をだまそうとするのでしょうか?
その答えを理解するために、何か偉大なことを目前に控えた科学者、新しい発見に関与することが可能な最大のスリルの 1 つであることを考えてみてください。宇宙について何か新しいことを学び、誰も見たことのないものを観察する機会は、信じられないほどのモチベーションになります.それがそもそも人々が科学のキャリアを選ぶ理由の 1 つであり、私たちが毎年夜勤や週末に働き続ける理由の 1 つです。大きな発見は、研究者と機関の両方のキャリアと評判も変えます。
問題は、これらのハイ ステークスが、しばしば詳細で、技術的で、退屈で、微妙な発見と確認のプロセスとうまく調和しないことです。現代の複雑な実験では、新しい科学を機器のアーティファクトや日常的な出来事と区別することは、決して明白ではないかもしれません.私たちのコラボレーションは、潜在的な発見の瞬間、つまり感情が高まり、評判が危機に瀕しているときに、主要な科学的発見の可能性を確認するための手順を定義する時ではないという決定を下しました.その時は、訓練中にもっと早く来るべきです。
LIGO/Virgo ドリルの基本ルールは単純でした。2010 年の観測実行中に、少数 (おそらくゼロ) のシミュレートされた重力波信号 (ハードウェア インジェクション) がデータに追加されると言われました。各実験では、2 つの離れた質量を隔てる距離を監視することにより、重力波を探しました。波が通過した場合、それらの距離は縮小または拡大します。ハードウェアの注入は、ちらつきのある磁場で 1 つの塊をそっと動かすことで、分離距離のわずかな変化を模倣し、100 万分の 1 メートル単位で振動させました。結果として生じるメイン データ チャネルのブリップは、ブラック ホールまたは中性子星の結合ペアから予想される信号のように見えます。
少なくともしばらくの間は、事前に警告されたり、後で通知されたりすることはありません。注射のタイミングと性質を知っているのは、秘密を守ることを誓った「盲目の注射器」の非常に小さなチームだけです。チームには、注射を実行するための技術的ノウハウを持つ約 5 人が含まれていました。トップマネジメントの多くでさえ、闇の中に置かれるでしょう。盲目のインジェクターは、立ち入り禁止のデータ チャネルに証拠を残し、私たちの名誉のために、私たちの残りの人が見ないように指示されました.
ブラインドインジェクターグループ以外の私たちには、データを本物のように扱うという1つの選択肢しかありませんでした。これは私たちの心を本当に混乱させました。表面的には、ここに 20 年以上かけて見つけようとしてきた信号がありました。信号が本物である場合、私たちの仕事はできるだけ早く分析することでした.
しかし、偽物である可能性が高いこともわかっていました。ハードウェア注入チームは私たちの熱意をこっそり笑っているかもしれません。 1 億ドルの絵画に入札することを想像してみてください。私たちはこれまでの人生でかつてないほど懸命に働いていましたが、毎日、高揚感と疲労の間でぐらつきました。この努力は本当に報われるのでしょうか、それともすべて冗談でしたか?
このイベントに「ビッグ ドッグ」というあだ名を付けたのは、おおいぬ座の方角にあることが判明したためです (また、当時、ハリー ポッターのシリウス ブラックが非常に人気があったためです)。次の 6 か月間、私たちはデータに取り組み、一連のハードウェア チェックを実行しました。私たちは新しい分析ツールを開発し、イベントが楽器やその他の地上ノイズによるものかどうかを突き止めようとしました.データはすべてのテストに合格しました。
私たちは発見論文を書きました。私たちの 1 人 (アラン) は、データ分析グループの議長であり、論文の編集者でした。私たちは論文のタイトルにある言葉に苦悩しました:最初の検出?最初の観察？発見？証拠？ 1993 年のノーベル賞がすでにあったとしたら、本当に「最初の検出」を主張できるでしょうか。私たちのコラボレーションは大規模であり、態度の範囲は広かった.極度に慎重になり、「検出」ではなく「証拠」のみを主張する人もいました。より多くのイベントが見られるまで公開を延期することを主張する人もいました.他の人はもっと大胆になりたいと思っていました。彼らは、私たちの主張があいまいになったり、希望に満ちたものになることを避けるのに十分な自信があると感じました.
何百人もの同僚が参加しました。終わりのない議論と議論がすべての言葉に適用されました。 700 人の懐疑的な科学者に論文のすべての言葉と必要な信頼レベルについて同意してもらうことは、社会学が複雑なため、大変な作業でした。 (実際、ある社会学者、ハリー・コリンズは、検出に関するさまざまな主張を受け入れるか拒否するかを決める重力波コミュニティの闘いについて 2 冊の本を書いています。)ブラックホール連星合体からの波。そのタイトルで妥協をほとんど聞くことができます.
2011 年 3 月、私たちはカリフォルニア州アルカディア近くのホテルに集まり、すべての証拠と論文の草案を検討し、ジャーナルへの投稿について投票しました。部屋には 300 人以上がいて、さらに約 100 人がインターネット経由で接続していました。シャンパンをたくさん持ってきました。話し合いました。私たちは、ペーパードラフトを承認するために投票しました。信じられないほどの検出器の構築から信号の発見、そして最終的に検出を主張するための全手順の実行まで、私たちが旅した長い道のりを祝うスピーチが行われました.シャンパンを開けました。
そして、半年以上ボロボロの封筒をポケットに入れて持ち歩いていたLIGO研究所所長のジェイ・マルクスが登壇。彼は封筒を開けて、すべてが詐欺だったかどうかを私たちに話そうとしていました.
仕事から帰ってきて、「今日はガチョウの群れが空を飛んでいるのを見た」と発表したとしても、誰もあなたを疑うことはありません.しかし、「今日、ドラゴンが空を飛んでいるのを見た」と言ったらどうでしょうか。あなたの家族はあなたの話を受け入れてくれますか？どのくらいの証拠が必要ですか？本当に持っていたら ドラゴンを見たことがありますが、それは 1 回限りのイベントでしたか?
私たちは、単一のイベントに基づく重力波の肯定的な検出を発表する準備をしていました。波がどれだけ稀なのかはわかりませんでした。非常に稀なため、私たちの生涯で次のイベントが発生しない可能性は完全にありました。どのくらいの証拠があれば十分でしょうか?物理学における一般的なガイドラインは、新しい発見には「5 シグマ」レベルの証拠が必要であるというものです。これは、99.9999% 以上の信頼度で、イベントがノイズ変動である可能性が低いことを意味します。私たちの候補イベントは、何千年にもわたる LIGO と Virgo の観測で遭遇する可能性がある、最も大きく、最もまれなノイズ変動よりも「大きい」と計算されました。
ここまでは順調ですね。しかし、信号がノイズではないという証拠を定量化することは、それが実際の信号であるという信頼を定量化することと同じではありません。実際、誰も重力波を直接見たことがなかったので、それが本物であるという自信を表現する方法がありませんでした.おそらく重力波は存在せず、私たちが検出できる天体物理的信号もありませんでした。それを信じるなら、どんなにありそうもないことでも、ノイズや誤動作のせいで私たちの信号を拒否するでしょう.
科学では、いつ信じるかという問題は、古くからの深い問題です。普遍的な答えはありません。潜在的な発見のメリットを評価するには、関係者の以前の信念を常に考慮する必要があります。これを回避する方法はありません。
では、私たちの以前の信念は何でしたか? 1975 年までに、電波天文学者のラッセル ハルスとジョセフ テイラー (彼らの業績により 1993 年にノーベル物理学賞を受賞) による観測から、重力波の存在を示す明確で説得力のある証拠が得られました。彼らは、互いに軌道を回って軌道エネルギーを失っているコンパクトな中性子星のペアを観察しました。アインシュタインの理論は、重力波が軌道エネルギーを運び去り、ハルスとテイラーが見たものを正確に再現すると予測しました。そのため、電波天文学からの証拠により、重力波が存在する可能性が高いように思われました.
それらを測定するために必要な機器の感度があるかどうかについては、あまり確信が持てませんでした。 2010 年には、LIGO 検出器と Virgo 検出器は「パスファインダー」でした。連星の合体による重力波を検出するには感度が不十分であると推測しましたが、次世代の高度な検出器を設計するための貴重な情報を提供してくれるでしょう。また、天文台とその地球環境の両方に、地球外の重力波信号のように見えるものを非常にまれに生成する可能性のあるさまざまな不正行為があることもわかっていました。私たちの検索パイプラインは非常に複雑で、まれに障害モードが発生する可能性もありました.
結局のところ、私たちの以前の信念はまちまちでした。この混合は、新たに観測された (そしておそらく偽の) イベントを解釈するための 2 つの問題のあるアプローチを作成する傾向がありました。何か新しいもの、何を探しているのか確信が持てないので、目を大きく開いて、本物のにおいがするものを探しましょう)。どちらのアプローチも、あるタイプの証拠を求めて別のタイプの証拠を無視することを選択するため、危険なほど偏っています。私たちの本当の目標は、偏見を最小限に抑え、意図的に何かを殺したり高めたりすることを避けることでした.
これは、偽の信号注入の天才でした。個々の科学者の以前の信念が何であれ、それは彼または彼女にそれを疑う理由を与えました.現在の世代の機器は単にその任務に耐えられないと信じていた科学者は、その可能性を考慮しなければなりませんでした。実際の検出の利点のために信号を高めようとする科学者は、虚偽の主張を避けるために熱意を抑える必要があります。偽の注射の噂は、私たちに心を開いて懐疑的で理性を働かせ、証拠を額面通りに調べることを強いました.
そのため、2011 年にジェイ マルクスがアルカディアで封筒を開封し、ビッグ ドッグはビッグ フェイクであり、重力波観測史上初の発見ファイア ドリルが成功したばかりであると私たちに告げたとき、私たちはまだそれを一瞬の出来事として扱いました。お祝い。私たちはシャンパンのグラスを掲げ、偽りの成功に乾杯しました。それは奇妙な、虚ろな感覚でした。しかし、明らかに、ビッグ ドッグは、重力波信号のみを使用してソース オブジェクト (中性子星またはブラック ホール) の質量を測定する能力を大きく前進させるなど、一連の作業を動機付けました。最も重要なことは、私たちのコラボレーションは、使用する基準と、偏見を最小限に抑える方法について初めて合意したことです。初めて、検出に十分な証拠があると判断しました。
これがどれほど重要かを理解するのは難しいです。いくつかの重力波実験は過去に誇張された主張に苦しんでおり、LIGO と Virgo の共同作業は規模が大きくなり、基準に関するコンセンサスを達成するのが困難になりました。 2011 年以前は、何らかの レベルの証拠で十分です。
そしてついに、偽のシグナルが、本当の成功への準備が整ったと感じさせました.
Big Dog からほぼ 5 年後の 2015 年 9 月、低レイテンシ パイプライン アラートが再び発生しました。今回、最初に気づいたのは、ドイツのハノーバーにあるアルバート アインシュタイン研究所の研究者で、コラボレーション全体の件名に「非常に興味深いイベント」という言葉を含むメールを送信しました。コンピューターの電源を入れると、受信トレイが継ぎ目でつぶれているのを見つけたのを覚えています。私はメールをあきらめて、同僚に電話しました。彼は、私が作成を手伝ったコンピューター コードで作成された結果ページを教えてくれました。悪寒がした。私は目を閉じて、もう一度見ました。私は立ち上がり、部屋の中を歩き回った。 "どうしたの？"妻が私に尋ねました。 「まあ、よくわかりません」と私は言った。 「しかし、重力波を発見したと思います。」
2010 年から 2015 年にかけて、LIGO ハンフォード天文台と LIGO リビングストン天文台の両方の初期 LIGO 検出器が解体され、代わりに高度な LIGO 検出器が構築され、設置されました。これらの新しい検出器には、さまざまなアップグレードが含まれており、すべてが機器の感度を向上させ、検出の可能性を高めることを目的としていました。改善には、より大きなミラー、より強力なレーザー、より優れた免震のためのアクティブ フィードバック ループが含まれます。テスト マスをワイヤーで吊り下げる代わりに、熱振動に強いガラスの細いストランドに吊り下げました。この改善は、LIGO の到達範囲を 10 倍に拡大するように設計されているため、まれなイベントを検索できるスペースの量が 1,000 倍に増加します。
2015 年 8 月下旬にエンジニアリング ラン (計測器をテストするためのもので、データを取得するためのものではありません) を開始し、9 月 18 日に最初の観測ランを正式に開始する予定でした。 9 月 12 日までに、検出器はすでに良好な感度でスムーズに動作していました。そのため、空を観察するために邪魔されないようにしました。
良いこと。 2015 年 9 月 14 日の早朝、私たちの検出器と関連する検索パイプライン ソフトウェアは、約 13 億光年離れたバイナリ ブラック ホールの合体と一致するイベントを特定しました。 99.9999 パーセントを超える信頼度で、それはうるさく、検出器や地上のノイズとは明らかに一致しませんでした。うわー…電源を入れてすぐに、とてもうるさいです。自然は本当に親切だったのだろうか？ GW150914 と名付けました。
しかし――本来なら何もないはずなのに、盲目的に注射されたのだろうか？数時間以内に、私たちの多く (アランを含む) がテレコンに参加し、それについて話し合った. 2010 年の「ブラインド インジェクション チーム」のメンバーの 1 人であるマイク ランドリーが出席し、エンジニアリング ランのために召集されたブラインド インジェクション チームはなく、これはブラインド インジェクションではないと述べました。発見が数日後であった場合、私たちの観察中に盲目的注射チームが活動していた可能性があり、彼は秘密を守ることを誓っていた可能性があります.しかし、現時点では、ブラインド注射は選択肢ではありませんでした.それでも、私たちは彼を疑いました。シークレット ブラインド インジェクション データ チャネルを調べてもらいました。応答:「すぐに行ってください。」
私たちは見ましたが、何も見つかりませんでした。ハードウェア注入を担当する物理学者の Jeff Kissel は、電子ログブックに次のように書いています。これは、これまでで最も短い電子ログ エントリでした。その後、その年の最優秀 e-ログ エントリー賞を受賞しました。
わかった。しかし、それはローグであった可能性があります 注入？おそらく、知識はあるが不満を持っている同僚や元従業員が恨みを抱いていて、誤った注射が元同僚の間で本当に悲惨なことになることを知っていた.これを行うこと、または除外することはそれほど簡単ではありません。悪党は、多くのことを正さなければなりません。信号波形は正確に正確でなければなりません。 2 つの検出器 (ほぼ 2,000 マイル離れている) への注入は、時間、振幅、および位相において完全に一貫している必要があります。また、すべてのデータ チャネルは、秘密であろうとなかろうと、痕跡を残さないようにサニタイズする必要があります。数十のデータチャネルをチェックしました。あらゆる種類のハードウェア インジェクションと一致するものは何も見つかりませんでした。
これは訓練ではありませんでした。というわけで分析開始。私たちの出発点？ 2010年の検出イベント。その年の検出チェックリストを再利用し、古い検出委員会のフレームワークを新しいデータに適応させました。パラメータ推定 (質量、スピン、およびバイナリ結合のその他の特性を測定する能力) について学んだことを適用しました。
2015 年の発見の最初の数日から私たちが覚えていることは、驚くべきレベルの平穏でした。激しいプレッシャーの時代に、私たちの同僚は手順に従い、懸命に働き、優れた結果を生み出しました.これが 2010 年の消防訓練の最大の成果でした。プロセス、証拠、同僚を信頼しながら、重要なデータを扱う経験がありました。これが「本物の」シグナルに初めて遭遇した場合、疑念、心配、不安、哲学的論争により、「これは本物だ」と確信を持って言えなかった可能性があります。偽の信号を見つけたという証拠を構築することを学ぶことで、本物の信号を見つける方法を学びました。ディスカバリー ファイヤー ドリルは、一連の証拠を使用して異常なことを信じる方法を教えてくれました。
しかし、興味深いことに、「いつ十分な証拠が得られるか」という問題があります。再び自分自身を育てました。一部の研究者は、ブラック ホールの第 2 の合体を見るまでは検出を主張すべきではないと主張しました。 2 番目のものが見られない場合、最初のものがある種のまぐれではなかったことをどのように知ることができるでしょうか?この議論は論争の的であり、高度な検出器が実行を開始したばかりであるという事実に結びついていました.一部の人々は、ノイズと検出器の癖を理解するために、新しい検出器でより多くの経験を積む必要があると主張しました.他の人は、わずか数日間の観測で 1 つの実際の信号が得られた場合、レートが十分に高く、さらに多くの信号が見られると期待できると指摘しました。幸いなことに、自然は私たちに休息を与えてくれました。最初の発見から 1 か月も経たない 10 月 12 日に、2 回目の可能性のある検出が行われました。このペアリングにより、公開するのに十分な証拠があることをほぼ全員が確信しました。さらに良いことに、12 月下旬に、疑う余地のないもう 1 つの紛れもない明確な検出がありました。
GW150914 の検出から 5 か月後、それについて 12 以上の論文を執筆し (papers.ligo.org を参照)、リードペーパーは Physical Review Letters での出版が承認されました。 、2016 年 2 月に NSF 本部で行われた記者会見で、この発見を公に発表しました。
Jonah Kanner はカリフォルニア工科大学 LIGO 研究所の研究科学者です。彼は重力波データを扱った 10 年の経験があります。
アラン・ワインスタインはカリフォルニア工科大学の物理学教授であり、カリフォルニア工科大学の LIGO 研究所の天体物理データ分析グループの責任者です。
