重力

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LIGOは2つのブラックホールが衝突した際に発生する重力波を検出できる。 クレジット: SXS プロジェクト

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パンデミックの問題によってさらに長くなった3年間の中断を経て、重力波（ブラックホールの衝突やその他の宇宙大変動の特徴である時空の波紋）の探索が再開された。

ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンに 2 つの巨大な検出器を備えたレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) は現在、数百万ドルをかけて改修し、感度を向上させて再稼働中です。 この改善により、同施設は、2019～20年の前回稼働時は週に1回程度だったが、衝突するブラックホールからの信号を2～3日ごとに受信できるようになるはずだ。

重力波天文台LIGO、検出力2倍に設定

840万ユーロ（900万米ドル）をかけて独自に改修を行ったイタリアのピサ近郊のVirgo探知機も参加する予定だったが、技術的な問題によりチームは停止を延長し、さらなるメンテナンスを余儀なくされている。 「夏の終わりか初秋までには再稼働できると期待しています」と、Virgoの広報担当者で、ジェノヴァにあるイタリア国立核物理研究所の物理学者ジャンルカ・ジェンメ氏は言う。

日本の池ノ山の地下にある重力波検出器KAGRAも5月24日に再稼働する。 その技術はより進んでいるが（2020年に発足した）微調整中であり、感度は2015年のLIGOよりもまだ低い。ノーベル物理学賞を受賞した東京大学の主任研究員である梶田隆章氏は言う。 KAGRAはLIGOの稼働に1か月間参加し、その後再び試運転期間のために停止する予定だ。 その時点で、チームは干渉計の 4 つのメインミラーを 20 ケルビンまで冷却する予定だと梶田氏は述べています。これは、次世代天文台のモデルとして機能する他の検出器から KAGRA を際立たせる機能です。

重力波は加速する大きな質量によって生成され、重力波は移動するにつれて宇宙構造を周期的に伸縮させたり圧縮したりします。 2015年のLIGOの歴史的な最初の検出を皮切りに、これまでに記録された90件ほどの重力波イベントのほとんどは、ブラックホールの対が1つに結合する過程での螺旋運動によるものだった。 同様に、2 つの中性子星、または 1 つの中性子星とブラック ホールの合体によって、少数の星が生成されています。

LIGO、Virgo、KAGRA はすべて同じ干渉計のコンセプトに基づいています。これには、レーザー ビームを 2 つに分割し、得られたビームを長い真空パイプの両端にある 2 つのミラーの間で反射させることが含まれます。 (LIGO では、干渉計の 2 本の「アーム」の長さはそれぞれ 4 km、Virgo と KAGRA では 3 km です。)その後 2 本のビームは戻ってきて、中央のセンサーで重なり合います。 時空に乱れがなければ、ビームの振動は互いに打ち消し合います。 しかし、重力波の通過によりアームの長さが互いに対して変化し、重力波が完全に重なり合わなくなり、センサーが信号を検出します。

ルイジアナ州リビングストンにある LIGO 検出器は、米国に拠点を置く 2 台のうちの 1 つです。クレジット: 新華社/カリフォルニア工科大学/MIT/LIGO Lab

典型的な重力波現象では、腕の長さは陽子の幅のほんの一部だけ変化します。 このような微細な変化を感知するには、環境やレーザー自体から発生するノイズから細心の注意を払って隔離する必要があります。

2019-20シーズンのシーズン前に実施されたアップグレードでは、LIGOとVirgoは光絞りと呼ばれる技術を使ってこのノイズの一部に対処しました。 このアプローチは、光が個々の粒子で構成されているという事実によって引き起こされる固有のノイズに対処します。ビームがセンサーに到着するとき、個々の光子はわずかに早すぎるか遅すぎる可能性があります。これは、レーザー波が重なり合わずに打ち消し合うことを意味します。重力波が存在しない場合でも完全に出力されます。

物理学者のリー・マッカラー氏は、マサチューセッツ工科大学（MIT）でLIGO干渉計のプロトタイプを見せながら、「バケツにBB弾（鉛ペレット）を落とすようなものだ。大きなヒス音がするが、すべてがランダムに当たる」と説明した。ケンブリッジ。 光絞りにより補助レーザービームが干渉計に注入され、その影響が軽減されます。 現在パサデナのカリフォルニア工科大学に在籍するマッカラー氏は、「その光子は、より規則的に、より少ないノイズで到着する」と述べた。

光絞りの実装により、LIGO と Virgo は高周波の重力波に対する検出器の感度を向上させることができました。

しかし、量子力学の奇妙な規則のため、光子の到着時間の不確実性が減少すると、レーザー波の強度のランダムな変動が増加します。 これにより、レーザーが干渉計のミラーを押して干渉計のミラーを揺らし、別の種類のノイズを追加し、低周波重力波に対する感度が低下する可能性があります。 これは「自然の美しい表現」だと、圧搾技術の開発を主導したMITの実験者ネルギス・マヴァルバラ氏は言う。 「無限に正確な測定を行うことはできません。別の場所で代償を支払わなければなりません」と彼女は言います。

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この問題に対処するために、LIGO と Virgo の最新のアップグレードにおける重要な変更は、端にミラーが付いた 300 メートルの長さの追加の真空パイプを構築し、補助の「絞り」ビームを 2.5 ミリ秒保存することでした。それを干渉計に注入します。 これらのパイプの役割は、補助レーザーの波を波長に応じて異なる量だけシフトさせることです。 これは、スクイーズが選択的になることを意味します。つまり、高周波のノイズが減少すると同時に、低周波のミラー ジッターも減少します。

MITの物理学者ビクトリア・シュー氏は、LIGOのハンフォード研究所で新しい圧搾システムを微調整したチームの一員で、昨年11月に初めて作動させたときの嬉しい驚きを思い出した。 「物事はほぼ予想どおりに機能しました」と彼女は言います。

検出器の感度が向上したことで、研究者は、各物体が軸の周りをどのように回転するのか、また互いの周りをどのように回転するのかなど、重力波を生成する螺旋状の物体に関するより詳細な情報を抽出できるようになります。 これは、ブラック ホールと重力波の両方の存在を予測するアルバート アインシュタインの一般相対性理論に、これまで以上に厳しいテストを課すことを意味します。 膨大な数の観測により、ブラックホールがどのように、どのくらいの頻度で、自ら崩壊する巨大な星から形成されるのかについての全体像が改善されるでしょう。

天体物理学者はまた、重力波がブラックホール合体からの信号に加えて、異なる種類の信号を明らかにすると予想しています。 大きな希望の1つは、崩壊する星が超新星爆発として現れる前に、その重力信号を捕捉することだ。これは、銀河系のどこかで崩壊が起こった場合にのみ可能となる偉業である。 もう 1 つの目標は、パルサー (放射線のパルスを放出する回転中性子星) の表面の凹凸によって生成される連続重力波を感知することです。

干渉計のファミリーは 10 年代の終わりまでに拡大する予定です。 インド政府は、LIGOの予備部品を一部使用して建設される米国天文台のレプリカであるLIGO-Indiaに資金を提供すると発表した。

自然618、13-14 (2023)

土井: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01732-4

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