新しい理論解析により、宇宙の密度場における特定の種類のノイズの不在が、初期宇宙で生じた重力波に対するこれまでで最強の制約へと変換された。バレンシア大学のInstituto de Fisica Corpuscular（素粒子物理学研究所）のガブリエラ・バレンボイムと、フェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）のアルバート・ステビンズが7月29日にarXivへ投稿した論文は、重力波背景は大規模ホワイトノイズと呼ばれる痕跡を必然的に残すはずであり、観測がその痕跡を発見できていないことは、多くの初期宇宙由来の重力波源を排除すると論じている。
この議論は、同じ著者らが同僚とともに過去2本の論文で構築した枠組みに基づいている。小スケールの密度ゆらぎ間の非線形結合は、宇宙の密度場の最大の観測可能スケールにホワイトノイズを生成する。重力波は常に宇宙流体にずり（シア）を生じさせ、そのずりは同じ非線形モード結合を通じてこの大規模ホワイトノイズを生成する。観測された宇宙にはその効果が現れていないため、著者らはホワイトノイズ振幅の観測的上限を、それぞれの時代に存在し得た重力波エネルギーの上限へと変換する。
観測入力となるのは、プランク2018のデータから導かれた、ホワイトノイズ振幅に対する99パーセントの信頼限界である。すなわち、k_BH と呼ばれる量は 1.80 x 10^-13 メガパーセクあたり未満でなければならない。新論文の主な結果は、重力波が生成された赤方偏移、その現在のエネルギー密度、そしてその周波数という3つの量を結び付ける単純な制約である。放射優勢期に地平線の内側で生成された波については、制約は z^2 Omega_GW0 < 5 x 10^7 (f/nHz)^(3/2) という形をとる。ここで z は生成時の赤方偏移、Omega_GW0 は波の現在の密度パラメータ、f は波の現在の周波数である。
著者らはこの制約を具体的な例、すなわちパルサータイミングアレイが検出した重力波背景に適用する。検出された波は、赤方偏移およそ10^8 より前には存在し得なかったことが示される。これは、宇宙の温度がおよそ100 MeV だった時代、すなわち赤方偏移10^12 付近で終了したクォーク・ハドロン相転移よりずっと後である。検出された波の赤方偏移の地平線で許容される宇宙の最高温度はおよそ50 keV であり、これはビッグバン元素合成よりかなり後の時代に相当する。著者らは、パルサータイミングアレイの信号は、原始宇宙のいかなる過程によるものよりも、超大質量ブラックホールの合体のような天体物理学的な源によって低赤方偏移で生成された可能性が高いと結論している。
クォーク・ハドロン相転移自体については、制約は劇的なものとなる。検出可能な重力波背景を生み出すほどの大きなバルク運動エネルギーを伴う強い一次相転移は、事実上排除される。そのような波の現在の密度パラメータは 5 x 10^-16 未満、生成時の密度パラメータは 8 x 10^-12 未満でなければならないからである。論文はこれを既存の制約と表で比較している。ビッグバン元素合成と宇宙マイクロ波背景放射からの統合的な制約は、密度をおよそ10^-5 まで許容する。直接的な重力波探索はおよそ10^-8 に達し、新しいホワイトノイズによる制約はおよそ10^-15 に達する。新しい制約は、QCD地平線のスケールであるおよそ1ナノヘルツの周波数において、従来の制約より7桁厳しい。
著者らは、自らの制約が何を意味しないのかを強調する。5 x 10^-16 という上限は、重力波がガウス型のランダム位相を持ち、地平線スケールで生成され、ホワイトノイズの唯一の源であったと仮定する最小モデルに基づいている。現実的な初期宇宙での生成を考えれば、制約は数桁厳しくなると著者らは論じる。理由は2つある。相転移における泡の衝突のような局在した重力波源は、より多くのホワイトノイズを生み出す粒状性を加える。また、いかなる相転移にも伴う音響波は、重力ではなく直接的な力学的結合によって生成されるが、重力波そのものよりはるかに効率的にホワイトノイズを生成する。音響波がホワイトノイズを支配する場合、重力波に由来する信号の割合はごく小さくなり得る。その場合、重力波単独に対する制約はさらに強くなる。
論文はまた、将来の重力波望遠鏡の見通しについても検討している。ホワイトノイズによる制約は、提案されている装置による原始宇宙起源の重力波の検出可能性を完全には排除しない。最も感度の高い設計では、宇宙温度が1 TeV を超える時代にまで遡ることができる。ただし著者らは、装置の生の感度から計算された赤方偏移の地平線は楽観的である可能性が高いと警告する。天体物理学的な前景放射と、初期宇宙の重力波源に伴って生成されるホワイトノイズの両方が、検出可能なものを減らすからである。重力波が有限個の局在源から生じるという離散イベントモデルは、生成時の赤方偏移に対する制約を最小モデルよりはるかに厳しいものにする。ただし、地平線体積あたりのイベント数が非常に多かった場合を除く。
そこから浮かび上がるのは、比較的静かで、ビッグバン元素合成の時代より前に大きなバルク流を生み出す相転移やその他の現象がなかった初期宇宙の姿である。論文は、この結論はモデルに依存しており、より厳しい上限を得るには個別の初期宇宙シナリオの詳細なモデル化が必要になると指摘する。大規模ホワイトノイズの非観測はまた、独立したメッセージも伝える。ナノヘルツ周波数で検出された重力波背景を生み出したものが何であれ、それは宇宙史の最初の数マイクロ秒よりかなり後の出来事であることはほぼ確実である。
雅子 訳
出典
1. Barenboim, G. および Stebbins, A.,「Gravitational Waves as a Source of Large-Scale White Noise: New Constraints」, arXiv:2607.27338: https://arxiv.org/abs/2607.27338
2. NANOGrav Collaboration,「The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background」: https://arxiv.org/abs/2306.16213
3. Barenboim, G., Ireland, A., および Stebbins, A.,「The Noisy Universe」: https://arxiv.org/abs/2511.15803