GPSにも影響する「一般相対性理論」の”時空の歪み”。遠方の星でも確認される!

「4U 1916-053」星系のイメージ。円盤の中心は中性子星で、この近くのガスから放たれたX線は重力赤方偏移を起こしている。
「4U 1916-053」星系のイメージ。円盤の中心は中性子星で、この近くのガスから放たれたX線は重力赤方偏移を起こしている。 / Credit: NASA/CXC/M. Weiss

アインシュタインの一般相対性理論は難しくて、私たちの日常生活とは無関係と考えている人が多いでしょう。

しかし、私たちが毎日スマートフォンを通じて利用するGPS機能は、一般相対性理論の示す重力による時間のズレを考慮しなければ正常に動作しません。

そして8月11日に科学誌『The Astrophysical Journal Letters』に発表された研究では、このGPSでも重要な一般相対性理論の効果を2万9千光年離れた遠い二重連星系からも確認したという報告を行っています。

これまでは遠方の観測ではうまく捉えることのできなかった重力で時空が歪むという効果も、現代の精度の高い観測では確認できてしまうようです。

日常生活にも影響するアインシュタインの「一般相対性理論」

アイザック・ニュートンは、地球の引力の存在に気づき、その力を計算する「万有引力の法則」を発見しました。

しかし、質量の大きい物体が生み出す重力という力が一体何なのかは、ニュートンにも、その後の多くの学者たちにもわかりませんでした。

アインシュタイン一般相対性理論は、そんな謎の「重力」を、時空間の歪みとして説明することに成功したのです。

そして、この理論に従うと、重力の強い場所では時間の流れは遅くなるということになります(一般相対性理論がなんなのかよくわからん、という人はこちらの記事を参照してください)。

私たちは重力の影響で地球の上に立っていますが、軌道上の宇宙ステーションへ行くとほぼ無重力に近い環境に変わります。地球の重力は地表に近いほど強くて、地表から遠ざかるほど弱くなっていくのです。

時空の歪みである重力の影響が変わるということは、地球では地上と上空で、時間の流れる速さが変わってしまうことを意味します。

以前、東京大学の研究チームが100億年使っても1秒もズレが起きないという超高精度時計『光格子時計』を使って、スカイツリーの地上階と展望台の時間の流れを測定しました。すると10億分の4秒、展望台の方が速く時間が流れていると明らかになったのです。

厳密に測定すると、一般相対性理論の効果によってスカイツリーの展望台くらいの高さでも時間の流れのズレが測定できてしまうのです。

こうした重力の影響により時間の流れが遅くなる現象は「重力赤方偏移」と呼ばれています

「重力赤方偏移」は私たちの生活には直接影響はなさそうですが、実は日常的に利用しているGPSの位置情報の計算に影響しています。

地球を取り囲むGPS衛星。GPS衛星は常時4つが上空に確認できるように飛んでおり、位置情報はこの内3つの衛星の信号を使って計算される。
地球を取り囲むGPS衛星。GPS衛星は常時4つが上空に確認できるように飛んでおり、位置情報はこの内3つの衛星の信号を使って計算される。 / Credit:NOAA

GPSは地球を囲むように軌道上を回るGPS衛星の信号を元に、地球上での自分の位置を計算するシステムです。

軌道上のGPS衛星と地上の私たちでは、重力の影響でスカイツリー以上に時間の流れがズレています。そのため、位置情報の計算は一般相対性理論を元に時間のズレを補正しなければ正常に機能しません

一般相対性理論がないと、私たちはスマートフォンやカーナビで自分の位置を正確に知ることができなくなってしまうのです。

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