重力波検出器 LIGO がついにオンラインに戻り、さらに感度を高めるためのエキサイティングなアップグレードが施されました

3年間の中断を経て、米国の科学者らは、重力波（宇宙を伝わる宇宙自体の小さな波紋）を測定できる検出器の電源を入れたところだ。

光波とは異なり、重力波は、宇宙を満たす銀河、星、ガス、塵の影響をほとんど受けません。 これは、重力波を測定することで、私のような天体物理学者は、宇宙で最も壮観な現象の中心を直接覗くことができることを意味します。

2020 年以来、一般に LIGO として知られるレーザー干渉重力波観測所は、いくつかのエキサイティングなアップグレードを実施しながら休止状態にありました。 これらの改善により、LIGO の感度が大幅に向上し、時空に小さな波紋を生み出す、より遠くにある天体を観測できるようになります。

重力波を生み出す事象をより多く検出することで、天文学者が同じ事象によって生成される光を観測する機会も増えるでしょう。 複数の情報チャネルを通じて事象を観察する、マルチメッセンジャー天文学と呼ばれるアプローチは、実験室での実験の領域をはるかに超えた物理学について学ぶ貴重で切望される機会を天文学者に提供します。

アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量とエネルギーは空間と時間の形状を歪めます。 時空の曲がりは、物体が相互にどのように動くか、つまり人々が重力としてどのように感じるかを決定します。

重力波は、ブラック ホールや中性子星などの巨大な物体が互いに融合するときに発生し、空間に突然の大きな変化を引き起こします。 空間の歪みと屈曲のプロセスは、静かな池を横切る波のように宇宙全体に波紋を送ります。 これらの波は外乱からあらゆる方向に伝わり、その際に空間を細かく曲げ、途中にある物体間の距離をわずかに変化させます。

重力波を生み出す天文現象には宇宙で最も巨大な物体が関係していますが、空間の伸縮は無限に小さいものです。 天の川銀河を通過する強力な重力波は、銀河全体の直径を 3 フィート (1 メートル) 変えるだけかもしれません。

1916 年にアインシュタインによって初めて予言されましたが、当時の科学者たちは、重力波の理論によって仮定された距離の小さな変化を測定するという希望をほとんど持っていませんでした。

2000 年頃、カリフォルニア工科大学、マサチューセッツ工科大学、および世界中の他の大学の科学者たちは、本質的にこれまでに構築された中で最も正確な定規である LIGO の構築を完了しました。

LIGO は 2 つの別々の天文台で構成されており、1 つはワシントン州ハンフォードに、もう 1 つはルイジアナ州リビングストンにあります。 各展望台は、長さ 2.5 マイル (長さ 4 キロメートル) の 2 本のアームが施設の中心から互いに 90 度で伸びている巨大な L 字型をしています。

重力波を測定するために、研究者は施設の中心から L の底部までレーザーを照射します。そこでレーザーは分割され、ビームが各アームを伝い、鏡で反射して底部に戻ります。 レーザーが照射されている間に重力波がアームを通過すると、2 つのビームはわずかに異なるタイミングで中心に戻ります。 この差を測定することで、物理学者は重力波が施設を通過したことを識別できます。

LIGOは2000年代初頭に運用を開始したが、重力波を検出できるほどの感度はなかった。 そこで 2010 年に、LIGO チームは感度を高めるためのアップグレードを行うために施設を一時的に停止しました。 アップグレードされたバージョンの LIGO は 2015 年にデータ収集を開始し、ほぼ即座に 2 つのブラック ホールの合体から生成される重力波を検出しました。

2015 年以来、LIGO は 3 回の観測を完了しました。 最初の実行 O1 は約 4 か月続きました。 2 番目は O2、約 9 か月。 3 つ目の O3 は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより施設が閉鎖されるまで 11 か月間運営されました。 LIGOはランO2を皮切りに、イタリアの天文台Virgoと共同観測を行っている。

各実験の合間に、科学者は検出器の物理コンポーネントとデータ分析方法を改良しました。 2020年3月のランO3の終了までに、LIGOとVirgoの共同研究の研究者らは、ブラックホールと中性子星の合体から生じる約90の重力波を検出した。

天文台はまだ最大の設計感度に達していません。 そのため、2020 年に両天文台は改修のため再び閉鎖されました。

科学者たちは多くの技術的改良に取り組んできました。

特に有望なアップグレードの 1 つは、スクイージングと呼ばれる技術を改善するために 1,000 フィート (300 メートル) の光キャビティを追加することでした。 スクイージングにより、科学者は光の量子特性を利用して検出器のノイズを低減できます。 このアップグレードにより、LIGO チームは以前よりもはるかに弱い重力波を検出できるようになるはずです。

私のチームメイトと私は LIGO コラボレーションのデータ サイエンティストであり、LIGO データの処理に使用されるソフトウェアと、そのデータ内の重力波の兆候を認識するアルゴリズムのさまざまなアップグレードに取り組んできました。 これらのアルゴリズムは、何百万もの起こり得るブラック ホールと中性子星の合体現象の理論モデルと一致するパターンを検索することによって機能します。 改良されたアルゴリズムでは、以前のバージョンのアルゴリズムよりも、データ内の背景ノイズから重力波のかすかな兆候をより簡単に検出できるようになります。

2023 年 5 月初旬、LIGO はすべてが機能していることを確認するために、エンジニアリング実行と呼ばれる短期間のテスト実行を開始しました。 5月18日、LIGOはブラックホールと合体する中性子星から発生したと思われる重力波を検出した。

LIGO の 20 か月にわたる観測計画 04 は 5 月 24 日に正式に開始され、その後、おとめ座と日本の新しい天文台である神岡重力波検出器 (KAGRA) が参加する予定です。

この実験には多くの科学的目標がありますが、リアルタイムでの重力波の検出と位置特定に特に重点が置かれています。 もしチームが重力波現象を特定し、重力波がどこから来たのかを解明し、これらの発見を他の天文学者に迅速に知らせることができれば、天文学者は可視光、電波、その他のタイプのデータを発生源に収集する他の望遠鏡を向けることができるでしょう。重力波の。 単一のイベントに関する複数のチャネルの情報 (マルチメッセンジャー天体物理学) を収集することは、白黒の無声映画に色と音を追加するようなものであり、天体物理現象に対するより深い理解を得ることができます。

天文学者がこれまでに重力波と可視光の両方で観測した事象は、2017 年に見られた 2 つの中性子星の合体だけです。しかし、この単一の事象から、物理学者は宇宙の膨張を研究し、宇宙の一部の起源を確認することができました。ガンマ線バーストとして知られる宇宙で最もエネルギー的な出来事。

O4 の実行により、天文学者は史上最も高感度の重力波観測所にアクセスできるようになり、これまでよりも多くのデータが収集されることが期待されます。 同僚と私は、今後数カ月間に 1 つ、あるいはおそらく多数のマルチメッセンジャーによる観測が行われ、現代の天体物理学の限界を押し広げることを期待しています。

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画像クレジット: NASA ゴダード宇宙飛行センター/スコット ノーブル。 シミュレーション データ、d'Ascoli et al. 2018年