標準サイレンが測る二つの量

重力波の標準サイレンは、コンパクト連星の合体から届く波形で光度距離を推定し、同じ天体の母銀河から得た赤方偏移や後退運動の情報と組み合わせて宇宙膨張を調べる方法です。標準光源という呼び名に似ていますが、恒星の明るさを較正するのではなく、連星の進化が波形に残す信号から距離を推定します。電磁波による従来の距離梯子とは独立した観測経路になり得ます。

二つの観測は異なる役割を担います。重力波は発生源までの距離を制約し、電磁波観測は母銀河を特定してその運動を調べる手がかりを与えます。同じ事件に両方を結び付けることで、ハッブル定数の推定が可能になります。

重力波の距離と母銀河の速度を組み合わせてハッブル定数を推定する標準サイレン概念図

GW170817で観測を結び付けた方法

2017年8月、Advanced LIGOとAdvanced Virgoは連星中性子星の合体GW170817から重力波を検出しました。望遠鏡は電磁波でもこの事件を複数の波長で観測し、母銀河NGC 4993を特定しました。LIGOの科学解説は、重力波波形から約44 Mpcの距離を推定したと説明します。ただし、重力波の位置が光学対応天体の空の位置と正確に一致するという仮定を置いた値です。

距離推定には約15％の不確かさがありました。検出器の雑音に加え、連星の軌道面が地球に対してどの角度を向くか、すなわち傾斜角が正確には分からないことが影響します。遠くにある正面向きに近い連星と、より近くにある横向きの連星は、似た重力波振幅を生む場合があります。距離と傾斜角は推定上で相関するため、波形から正確な距離が一つだけ直接得られるわけではありません。

専門家の視点：母銀河の固有運動を補正する

母銀河の観測された視線速度を、すべて宇宙膨張によるものとはみなせません。銀河は周囲の銀河や銀河団の重力による局所的な固有運動も持ちます。近傍のNGC 4993では、その成分が観測速度に無視できない割合で含まれる可能性があります。

LIGOの解説によると、分析チームはNGC 4993が属する銀河群を特定し、より大規模な銀河固有速度調査を使って群全体の運動を補正しました。その結果、ハッブル流に相当する速度を毎秒3,000 kmを少し超える値と見積もり、補正には毎秒150 kmの幅広い不確かさを見込みました。これは対象の銀河環境に基づく推定で、あらゆる標準サイレンに同じ速度補正を適用する一般規則ではありません。

組み合わせても不確かさは残る

概念上は、膨張に伴う後退速度を距離で割るとハッブル定数の尺度が得られます。実際の分析では母銀河の固有運動、重力波距離、傾斜角、発生源と母銀河の対応関係の不確かさをまとめ、確率分布として推定します。一つの事件から得られるのは前提条件の下での範囲であり、厳密な一点の答えではありません。

LIGOのGW170817解説は、当時のハッブル定数推定では約15％の距離不確かさが主要な要因だったと説明しています。距離と傾斜角の相関も分布の形に影響します。速度補正の一部だけを小さくすれば全体の結果が直ちに高精度になる、とは限りません。

2019年の分析値を当時の結果として読む

LIGO・Virgo共同論文arXiv:1908.06060は2019年に投稿され、2021年11月8日に第5版へ改訂され、2021年に*The Astrophysical Journal*へ掲載されました。論文要旨では第1・第2観測実行の検出を組み合わせ、GW170817の電磁波対応天体に加え、銀河カタログを用いる連星ブラックホール事件も含めています。flat-in-log事前分布の下で、共同解析はH₀を68.7 km/s/Mpc、68.3％最高密度区間を+17.0/-7.8と報告し、GW170817単独より区間幅が約4％狭まったと述べます。

これはその時点の観測データ、解析手法、事前分布に基づく歴史的結果です。LIGOの科学解説もGW170817を初の標準サイレン測定として紹介し、将来の観測で精度が向上すると展望しています。この数値を2026年現在の最良推定や確立した合意値として示してはいけません。現状の比較には、より新しい観測と解析の確認が必要です。

結果を読むときの確認点

どの事件と検出器の観測実行を使ったか、電磁波対応天体と母銀河を特定できたか、距離と傾斜角の相関をどう扱ったかを確認します。近傍銀河なら固有速度の補正方法と不確かさも重要です。さらに事前分布、区間の定義、論文の投稿・改訂日を見れば、異なる条件の結果を同じ測定として比較する誤りを避けられます。

出典