LIGOとVirgoの検出器が同期し、1年間続く重力波探査に備える
アラン・ボイル著
物理学者たちは4月1日、ワシントン州とルイジアナ州にあるレーザー干渉計重力波観測所や、イタリアにあるヴァーゴ重力波検出器でふざけるつもりはない。
その代わりに、彼らは全員、ブラックホールの合体や中性子星の衝突の兆候を探す、これまでで最も真剣な探索に取り組むことになるだろう。そしておそらく、これら2つの珍しい現象が絡み合った現象の初めての検出となるかもしれない。
どちらの実験も前回の観測以来大幅に改良されており、感度は合わせて約40%向上しています。これは、より遠く離れた場所で、より多くの宇宙衝突を検出できることを意味します。また、宇宙衝突の発生場所を正確に特定できる可能性も高まり、他の種類の観測を継続できる可能性が高まります。
「3基の検出器の感度が大幅に向上し、運用を開始したことで、LIGO-Virgoの世界的な検出器ネットワークは、重力波源の三角測量をより正確に行うことができるようになります」と、欧州Virgoコラボレーションの広報担当者を務めるオランダ人天文学者、ジョー・ファン・デン・ブランド氏は本日のニュースリリースで述べた。「これは、マルチメッセンジャー天文学の探求に向けた重要な一歩となるでしょう。」
マルチメッセンジャー天文学とは、多様な機器を用いて同一の天体を観測し、異なる電磁波波長に焦点を当てるとともに、全く新しい視点で宇宙を観測する手法です。こうして2017年に中性子星合体の初の観測が行われました。
LIGOによるブラックホールの検出により、プロジェクトリーダー3名が既にノーベル物理学賞を受賞していますが、今後どのような成果がもたらされるかは誰にも分かりません。4月1日から始まる1年間の観測期間中に、ノーベル賞に値するような発見が待ち受けている可能性も十分にあります。例えば、物理学者たちはブラックホールと中性子星の衝突に伴うはずの重力波の兆候をまだ検出していません。
これは Advanced LIGO プログラムにとって 3 回目の観測実行となり、2017 年 8 月に LIGO 検出器が大規模なアップグレードのために停止されて以来、初めての観測実行となります。
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近郊にある LIGO の検出器は、何百万光年も離れた場所で発生する重力波の擾乱によって引き起こされる時空構造の亜原子スケールのさざ波を探知します。
リップルは、長さ2.5マイル（約4キロメートル）のトンネル網をL字型に敷き詰めた鏡の間を往復するレーザー光線の干渉パターンを観測することで測定されます。LIGOの2つの検出器は1,500マイル（約2,400キロメートル）以上離れた場所に設置されており、それぞれの検出結果を二重チェックする役割を果たします。イタリアのVirgo検出器は三重チェックを行い、重力波バーストが空のどこから来ているのかを突き止めることを可能にします。
次回の実行に向けて、レーザー出力は倍増され、検出器のミラーのほとんどがより高性能の機器に交換されました。
「鏡を固定しているファイバーを切断し、光学系を非常に慎重に取り外して交換する必要がありました」と、カリフォルニア工科大学でLIGOの機械光学工学部門を率いるカラム・トーリー氏は述べた。「非常に大規模なエンジニアリング作業でした。」
LIGOのチームは、量子物理学の知見を活用し、重力波の信号対雑音比（S/N比）も向上させました。この改良では、「スクイージング」と呼ばれる手法を用いて、検出器内の光子のランダムな変動によって引き起こされる不確実性を、光波の位相から振幅へとシフトさせます。これは巧妙な手法です。なぜなら、重力波の検出において鍵となるのは光波の位相の測定であり、振幅の測定はそれほど重要ではないからです。
アップグレードの結果、LIGO は中性子星の合体を検出する範囲を 3 億 6000 万光年から平均 5 億 5000 万光年に拡大することになるはずです。
「我々エンジニアにとって満足なことの一つは、全てのアップグレードにより、LIGO が宇宙のさらに遠くまで観測できるようになり、宇宙で最も極端な出来事を発見できるようになったということを知ることです」とトーリー氏は語った。
LIGOは全米科学財団（NSF）の資金提供を受け、カリフォルニア工科大学（Caltech）とマサチューセッツ工科大学（MIT）によって運営されており、世界中から1,300人近くの科学者がLIGO科学協力に加わっています。Virgo検出器はイタリア・ピサの欧州重力観測所に設置され、フランス、イタリア、オランダの研究機関から資金提供を受けています。Virgo協力には、ベルギー、フランス、ドイツ、ハンガリー、イタリア、オランダ、ポーランド、スペインの研究所から約350人の科学者、エンジニア、技術者が参加しています。
