バーナード・F・シュッツ
American physicist

バーナード・F・シュッツ
生まれる
バーナード・フレデリック・シュッツ

1946年（78～79歳）
パターソン、米国
母校カリフォルニア工科大学
受賞歴エディントンメダル（2019）
科学者としてのキャリア
フィールド理論物理学
一般相対性理論
重力波
機関カリフォルニア工科大学、
イェール大学、
カーディフ大学
、マックス・プランク重力物理学研究所
論文相対論的速度：ポテンシャル流体力学と恒星の安定性 （1972）
博士課程の指導教員キップ・ソーン
博士課程の学生ミゲル・アルクビエール・
クリスチャン・オット[1]
Webサイトhttps://bfschutz.com/

バーナード・フレデリック・シュッツ （1946 年8月11日生まれ）[2]は、イギリス系アメリカ人の物理学者です。彼は一般相対性理論の研究、特に重力波の検出への貢献と教科書でよく知られています。

シュッツ氏は、英国王立協会フェローであり、米国科学アカデミー会員です。カーディフ大学で物理学と天文学の教授を務め、ドイツのポツダムにあるマックス・プランク重力物理学研究所（アルバート・アインシュタイン研究所）の初代所長を務め、1995年から2014年まで同研究所の天体相対性理論部門を率いました。シュッツ氏は、後にLIGO科学協力（LSC）の一部となったGEO重力波共同研究の創設者であり、主任研究員でもありました。シュッツ氏はまた、宇宙搭載型重力波検出器LISA （レーザー干渉計宇宙アンテナ）の提案者の一人でもあり、2016年にESAにミッションが採択されるまで、そのデータ解析に関する欧州計画の調整役を務めた。シュッツ氏はオンラインオープンアクセス（OA）レビュージャーナル「Living Reviews in Relativity 」を発案し、1998年にAEIから出版を開始した。このジャーナルは、クラリベイトの評価によると長年にわたり世界で最も影響力のあるOAジャーナルとなっている（このジャーナルは現在、シュプリンガー社から発行されている。[3]）。

教育とキャリア活動

バーナード・フレデリック・シュッツ・ジュニアは1946年にニュージャージー州パターソンで生まれました。[2]

シュッツは1960年から1964年までニューヨーク州ロングアイランドのベスページ高校に通い、その後ニューヨーク州ポツダムのクラークソン大学（当時はクラークソン工科大学）で物理学を専攻した。3年で学位を取得し、カリフォルニア州パサデナのカリフォルニア工科大学で物理学の大学院課程に進んだ。翌年、キップ・ソーンの研究グループに参加し、1971年に一般相対性理論における流体理論で博士号を取得した。全米科学財団フェローシップにより、1971年から1972年までイギリスのケンブリッジに滞在し、スティーヴン・ホーキングの研究グループとマーティン・リース率いる天文学研究所で分担研究を行った。その後、イェール大学のジェームズ・バーディーンのグループにポスドクとして移り、同僚のジョン・フリードマンと実りある共同研究を開始した。[4]

1974年、シュッツはウェールズのカーディフ大学（当時はユニバーシティ・カレッジ・カーディフ）の講師に就任し、チャンドラ・ウィクラマシンハが議長を務める応用数学部に新設された天文学グループに加わった。シュッツは相対論的な星とその力学を研究する大規模な研究グループを築き上げた。教育活動の成果として、『数理物理学の幾何学的手法』と『一般相対性理論入門』（参考文献参照）という2冊の教科書を執筆し、高い評価を得た。シュッツは1986年に教授に就任し、その頃、研究の方向性を重力波検出へと転換し始めた。

カーディフ大学在学中、シュッツは中部ウェールズのグレギノグ会議センターでグレギノグ相対性理論ワークショップと呼ばれる不定期の会合を開催した[5]。この会合は、英国および世界中の相対性理論の専門家が主要な研究課題について非公式に議論するための人気の会合となった。1986年と1987年には、シュッツはカーディフで2つの国際会合を開催し、重力波検出プロジェクト間の連携とデータ共有の改善を目指した。2度目はNATOがスポンサーとなり、シュッツはその会議録「重力波データ分析」を編集した。シュッツは英国の研究会議の諮問委員会に数多く参加し、最終的には1994年から1995年にかけて新設された素粒子物理学および天文学研究会議（PPARC）の天文学委員会の初代委員長に就任した。

1995年、シュッツはドイツに移り、ユルゲン・エーラースと共にマックス・プランク重力物理学研究所（通称アルバート・アインシュタイン研究所（AEI））を設立しました。この研究所は、 1990年のドイツ再統一後、旧東ドイツ地域への科学研究拡大を目指したマックス・プランク協会（MPS）の取り組みの一環として、ドイツのポツダムに設立されました。エーラースは数学的一般相対性理論の研究を主導し、シュッツはブラックホールの数値シミュレーションや重力波検出器を支える理論研究を含む天体相対性理論の研究に注力しました。 [6] MPSからの潤沢な資金提供を受けて研究所は急速に拡大し、1997年には3人目の所長（量子重力担当のヘルマン・ニコライ）を迎えた。1998年末にエーラーズが引退した後、シュッツが専務理事に就任し、2002年にハノーバーにAEIの2番目の支部を設立するのを監督した。[7]カルステン・ダンツマンが率いるこの支部はGEO600重力波検出器を管理し、すぐに実験重力波物理学の主要な中心地となり、GEO600やLIGOなどの地上検出器と、宇宙ベースのLISA-Pathfinder技術実証ミッション、LISA（レーザー干渉計宇宙アンテナ）重力波検出器ミッション、宇宙測地学ミッションGRACE Follow-Onの両方の主要技術を開発しました。[8]ブルース・アレンは2007年にハノーバー支部に新設された観測相対論と宇宙論部門の部門長として加わった。[9]

1995年以降、シュッツ氏は欧州宇宙機関（ESA）の複数の委員会に所属し、2004年から2008年までは基礎物理諮問グループの議長を務めた。また、2003年から2019年まではLSCの執行委員会 メンバーを務めた。

シュッツ氏はオープンアクセスの科学出版を提唱していることでよく知られている。AEIでシュッツ氏はオープンアクセスのオンラインのみのレビュー誌「Living Reviews in Relativity 」を創刊し、1998年に発刊を開始した。[10]この雑誌はレビュー記事が著者によって定期的に更新されるという点でユニークであった。この特徴は読者にとって魅力的であることが証明され、（記事あたりの引用数に基づくと）この雑誌は長年にわたり世界中のオープンアクセス誌の中で最も高いインパクトファクターを誇っている。その姉妹誌である「 Living Reviews in Solar Physics 」はマックス・プランク太陽物理学研究所から2004年に発刊を開始し、これも非常に多く引用されており、常に世界のトップ100にランクインしている。[11] 3つ目の雑誌「Living Reviews in Computational Astrophysics」は2015年に発刊を開始した。現在、これら3つの雑誌はすべてSpringerによって発行されている。シュッツは、2011年の創刊から2018年まで、APSが発行する最初のOAジャーナルであるPhysical Review Xの編集委員を務めた。[ 12 ]彼は現在、米国科学アカデミー紀要の編集委員を務めている。[13]

リビングレビューのコンセプトは、2003年のオープンアクセスに関するベルリン宣言[14]の着想の1つであり、シュッツは世界各地で開催されたベルリンOA会議の開催に尽力しました。第4回会議はAEIで開催されました[15] 。OAの拡大への貢献が認められ、2013年にはマックス・プランク協会からコミュニタス賞を受賞しました[16]。

シュッツは長年、科学の普及と教育に強い関心を抱いてきた。著書『重力の基礎から学ぶ』 [17]は、高校生や大学生に代数のみを用いて現代重力を直感的に理解できる入門書であり、一般相対性理論の難解な数学を回避している。シュッツはミルド・サイエンス・コミュニケーションズと共同で、ブラックホールや重力波を研究する科学者のオリジナルインタビューや短編動画を掲載するウェブサイト「サイエンスフェイス」 [18]を開発した。また、ミルド・サイエンス・コミュニケーションズとエグゾゼット・ポツダムの協力を得て、シュッツは重力波に関するマルチメディア講義「Music of the Spheres」を開発し、2015年の初検出に至るまで世界各地で講演を行った。[19]

2014年、シュッツはAEIを退職し、名誉所長に就任した後、カーディフ大学に戻り、非常勤教授として就任した。同大学での最初の活動は、ビッグデータ問題に取り組む大学内の研究グループを支援するデータ・イノベーション研究所の設立に携わり、その後初代所長に就任した。[20]シュッツはその後、カーディフ大学に戻り、一般相対性理論と重力波の研究と教育に携わった。[21] 2015年には、ジョージア工科大学の物理学の非常勤教授に就任した。[22]

研究

シュッツは1971年の博士論文において、流体力学の相対論的方程式をスカラー速度ポテンシャルを用いて再定式化しました[1]。このアプローチはその後、場の理論や宇宙論において多くの応用が見られました。彼はこの再定式化を用いて、一般相対論における恒星の脈動と安定性を研究するための枠組みを構築しました。

この初期の研究は、1970年代にジョン・フリードマンとの共同研究によって、回転する恒星の予期せぬ重力波駆動不安定性の解明につながりました。この不安定性は、チャンドラセカールが均一密度の星の単純なモデルにおいて初めて指摘したものです。[23] [24]現在チャンドラセカール・フリードマン・シュッツ（CFS）不安定性と呼ばれる現象では、重力波放射が恒星の回転エネルギーを取り込み、粘性などの他の効果によって十分に強く減衰されない限り、小さな初期摂動が指数関数的に増大します。これは一般的な不安定性であり、すべての回転する恒星に潜在的に存在します。CFSクラスの不安定性の一つに、ニルス・アンダーソンが発見したrモード不安定性があり、これは中性子星の回転速度を制限すると考えられています。[25]

二間瀬敏文氏と共同で、シュッツは一般相対論のポストニュートン極限と呼ばれるものにアプローチする新たな手法を開発した。この極限では、一般相対論はニュートン重力に小さな補正を加える。二間瀬＝シュッツ法[26]は、この問題に対する他の多くのアプローチで用いられる質点特異点を持たず、初期データに基づいているため、数学的に完全に整合し収束性がある。彼らはこの手法を用いて、重力波の放出に関する標準的な「四重極公式」が、発生源がブラックホールを周回している場合でも適用できることを厳密に証明した。もちろん、これはニュートン物体に対する小さな補正ではない。[27]

1986年、重力波検出に重点を置いたシュッツは、連星系から放出される重力波には、発生源までの距離を推定できる情報が含まれていることを示しました。これは天文学では通常非常に困難なことです。[28]この可能性は、一般相対論における重力の特殊なスケールフリー性に起因しています。距離情報は放出波の位相変化と偏光に符号化されているため、データからこの情報を抽出するには、少なくとも3台の干渉型重力波検出器のネットワークが必要です。これらのシステムは、ダニエル・ホルツとスコット・ヒューズによって「標準サイレン」と名付けられました。[29]発生源までの距離を知ることは、合体する連星系の重力波観測から得られるほぼすべての物理的情報（構成天体の質量とスピン、単位空間体積あたりのそのようなイベントの発生率の統計的尺度、ビッグバン以来のそのようなシステムの形成率が時間の経過とともにどのように進化してきたかの推定）を抽出するために重要です。

距離の測定方法を示したことに加え、シュッツは1986年の論文で、そのような連星を多数検出することで、宇宙の膨張率を表すハッブル定数H0の値を測定する方法を示した。彼は、放出している連星系が光学観測や他の天文観測では個々に特定できない場合でも、これが可能であることを示した。H0の重要性と、他の天文方法では正確に測定するのが難しいことから、これは1980年代後半に提案されていたLIGOやその他の検出器を構築する科学的根拠の主要な部分となった。H0の最初の重力波測定は、最終的に2017年に、 2つの中性子星の合体として初めて検出されたGW170817のデータを用いて行われた。LIGO、 Virgo、KAGRAによる今後の観測で統計が蓄積されるにつれて、この方法は長期的にはH0を測定する最も正確な方法になると期待されている。

シュッツは1986年以降、カーディフの研究グループの研究活動の大半を、連星合体の検出だけでなく、回転する中性子星、重力波のランダムな宇宙背景放射、そして予期せぬ信号の探索にも焦点を当てたデータ解析手法の開発に注力した。1990年、彼のグループは「100時間運用」のデータ解析を開始した。これは、グラスゴーとドイツのガルヒンクにある2つの干渉計（プロトタイプ）による初の長期共同データ取得実験であった。このデータ運用と解析は、英国とドイツ両国の資金提供者から、ドイツに建設予定の3km重力波干渉計に関する英国とドイツの共同提案の評価の一環として要請されたものであった。この提案は資金提供を受けなかったものの（1990年のドイツ再統一により、政府の資金が純粋科学から旧東ドイツの再建に振り向けられたため）、シュッツのグループはデータ解析を行い、発生し得る信号の上限を設定しました。[30]この作業により、同グループは、現在でもLIGO-Virgo-KAGRAのデータ分析の中核を成すアルゴリズムの最初の実用的なバージョンを作成することができました。

1980年代後半、シュッツはクリス・クラークとジョン・スチュワートと共同で、スーパーコンピュータにアインシュタイン方程式を解かせるためのプログラミング手法の開発に着手し、連星ブラックホールの合体を研究することを目指しました。彼の博士課程の学生であるガブリエル・アレンとポスドクのミゲル・アルクビエレは、この分野の第一人者としての地位を確立しました。

1990年代、コスタス・コッコタスとシュッツ[31]は、ニュートン重力理論には存在しない、中性子星の新しい振動モードを発見しました。このニュートン重力理論では、星の周りの相対論的重力場が主要な力学要素となります。wモードと呼ばれるこれらの振動モードは、ブラックホールの準正規振動モードの恒星における類似物です。

1995年にAEIに移ったとき、シュッツは数値相対論のより大きなグループを構築することができ、米国のNCSAからエド・ザイデルを招いてそのリーダーとした。最先端の社内計算システムを備えたこのグループは、長年にわたり数値相対論を専門とする世界最大のグループであり、この分野の現在のソフトウェアの多くを支える基本的な貢献をした。特に、オープンなアインシュタイン ツールキットは、この時期にAEIで作成されたソフトウェアにルーツがある。シュッツ自身は重力波データ解析の準備に重点を置いた。彼はF統計量[32]の開発に貢献した。これは、回転する中性子星からのほぼ周期的な信号が検出される可能性の重要性を測る、最適頻度主義統計尺度である。M.-A.パパ氏と他の協力者[33] 、シュッツ氏は、数か月にわたるデータの中からそのような信号を効率的に階層的に検索するためのハフ変換技術の開発に貢献しました。この手法は現在でもLIGO-Virgo-KAGRAの解析において重要なツールとなっています。

栄誉と賞

シュッツは、2019年に王立天文学会（RAS）のエディントンメダル、2006年にイタリア重力学会（ SIGRAV）のアマルディ金メダルを受賞し、2020年にアメリカ物理学会（APS）のリチャード・A・アイザックソン賞を共同受賞し、2011年にはグラスゴー大学から名誉理学博士号を授与された。[34] 2011年にはウェールズ学術協会のフェローにも選出された。[35]

リスト

アカデミー:

  • ロンドン王立協会フェロー（2021年選出）[36]
  • 米国科学アカデミー会員（2019年選出）[37]
  • ウェールズ学術協会会員（2011年選出）[38]
  • ドイツ自然科学アカデミー会員 レオポルディナ (2006 年選出) [39]
  • スウェーデン、ウプサラ王立芸術科学アカデミー会員（2005年選出）

協会からのメダルおよびその他の賞:

  • アメリカ物理学会リチャード・A・アイザックソン重力波科学賞、ブルース・アレンと共同受賞（2020年）[40]
  • 王立天文学会エディントンメダル（2019年）[41]
  • グラスゴー大学名誉理学博士（2011年）[42]
  • イタリア一般相対性理論・重力学会（SIGRAV）アマルディ金メダル（2006年）
  • マックス・プランク協会コミュニタス賞 (2013)
  • 国際一般相対性理論・重力学会フェロー（2013年）[43]
  • 王立天文学会名誉会員（2009年）[44]
  • アメリカ物理学会フェロー（1998年）

重力波検出器共同研究の他のメンバーとの共同受賞:

参考文献

  • シュッツ、バーナード・F.（1980）『数理物理学の幾何学的方法』ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-29887-3
  • シュッツ、バーナード・F.（1985）『一般相対性理論入門』ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-27703-5
  • シュッツ, BF (1989), 重力波データ解析. NATO ASIシリーズC: 数学および物理科学, 第253巻., Kluwer, ISBN 978-94-010-7028-7
  • シュッツ、バーナード・F.（2003）『重力の基礎』ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-45506-5
  • シュッツ、バーナード・F.（2009年5月31日）『一般相対性理論入門』（第2版）、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-88705-2

参照

参考文献

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  • アルバート・アインシュタイン研究所の天体物理学グループ
  • サイエンスフェイス（YouTube）
  • ベルリンオープンアクセスミーティングウェブサイト（MPGの一部）
  • ゴロゴロする宇宙（個人ブログページ）
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