重力波測定の難しさ | パット上達ブログ

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パットとは無縁の記事です。スルーなさって下さい。

興味ある方は明日(12/16)の地デジNHK E 12:30~13:00「ノーベル賞2017重力波が切り開く新天文学」をご覧ください。

 

TAMA300のレーザー光源の部分


レーザービームスプリッター

  ここでレーザーは右側と写真の後方へ分割されます

  ここから伸びるパイプの先300mにそれぞれミラーがあります

 

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重力波(時空の歪み)が生じることは一般相対性理論が予言していましたが、提唱者であるアインシュタイン自身はそれを実測することは難しいと指摘(アインシュタインの遺した最後の宿題と言われてます)してました。地球に到達する重力波はそれだけ①時間的に②空間的に微弱だからです。

 

ところが、これを直接検知することができたのでノーベル賞となったわけです。その辺りのことは各種報道がされているので、必要な方はググってください。

重力波測定の原理は簡単です。

レーザーを使ったマイケルソン干渉計で、身近にあるTAMA300(*1)では、基線長(ミラーまでの距離)は300m。いま建設中のKAGRAでは3000mです。

 

ここでは、その小ささがどのくらいかについて、私の知る所を紹介させて頂きます。

 

1.時間の大きさ

 重力波がどのくらいの時間的な軌跡を残すかですが、大まかに言えば≒0.1秒。どのような波形になるかは理論的に解析されてました。

 これは我々の感覚と近い、というか身近な時間幅です。

 

2.空間の変化の大きさ

 これが微弱なので、アインシュタインも直接観測するのは出来ないのではないかと考えていたわけです。

 他の銀河系で(例えばブラックホール同士が合体して発生した)重力波が地球に到達するころには、微弱だということは想像でしますが、これが何と最大振幅が1pm(ピコメーター)と言われています。検出するには「10の21乗分の1」という途方もない高感度な検出器が必要だということです。

よく言われるのが、地球・太陽間距離を分母にしたときに、分子は水素原子1個分の大きさくらいと言われています。

 これは、干渉計の鏡の表面を構成する素材の分子運動の影響を受けるくらいの振幅です。

 

なので、このような微弱な空間の歪みを検出するのに、いろいろな工夫が必要で、ノーベル賞につながったLIGO(米)は基線長4000mと長くすることで感度を上げています。それでも不十分で、日本の研究者が更に感度を上げる工夫し1000倍も感度が高まっています。

 このように、国際的な協力があっての成果なんですね。

 

KAGRAでは、ミラーを極低温な状態に冷やして、ミラー素材の分子運動を無くす(ゼロではないでしょうが)ことまでやってます。

 

なお、検知した観測派が理論通りの波形をしていても、それが重力波かどうかは保証されません。で、LIGOで初めて観測した時に、関係角国に即座に通知され、電波望遠鏡などでも観測がされました。これは重力波ではなく爆発現象が観測されたわけです。

重力波はその時点ではとっくに通り過ぎちゃってるわけですが、爆発そのものは余韻が残ってるので、特定できるわけです。これがブラックホール同士の衝突でしたら光は出ないので、特定は難しいのですが、今回は中性子連星の合体による重力波だったので、電波望遠鏡などでもその余韻が観測できたわけです。

 また、どこから重力波が来たかは、地球上の3か所で観測することで特定することが出来ます。

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*1:これは国立天文台三鷹キャンパスにありますが、この施設は公開されていません。今年はノーベル賞絡みで11月に公開されました。

 先日、研究者に直接案内頂くという幸運に恵まれたGreen Keeperは嬉しさのあまり呟いたので、「ずっこさん」からリクエスト頂き記事に至りました。

 5年生のときに自作ロケット暴発で大けがをしたにもめげず大空に思いを寄せていた科学好き少年は、今では足元(芝)を見つめています(笑)が、相変わらずの科学少年を自認しています。

なお、上記はGreen Keeperの知る所を記事にしたもので、研究者の話とは関係ありません。研究者はもっと高尚で科学的な解説を易しくやってくれました。また、記事の内容に間違いがありましたら、ご指摘をお願いいたします。

 

いつも御協力ありがとうございます。

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