観測所がブラックホールの「崩壊」を検知

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このアップグレードにより、観測所は、これまでは週に1回以上だったブラックホールの衝突による信号を2、3日ごとに検出できるようになる。

LIGO が検出する重力波は、質量が大きく高速移動する物体によって生成されます。これらの波は移動するにつれて空間の構造を引き伸ばします。 LIGOが2015年に運用を開始して以来、この観測所は約90件の重力波イベントを記録しており、そのほとんどは、1つに融合する過程にある一対のブラックホールの螺旋運動から発生したものである。

観測所がブラックホールの衝突を検出

LIGO はワシントン州とルイジアナ州にある 2 つの検出器 (干渉計) で構成されています。干渉計はレーザー光線を 2 つに分割し、2 本の長い真空管の端に配置された 2 つの鏡の間で往復反射させます。各パイプの長さは4kmで、L字型に垂直に配置されています。 2 本のパイプの交差点にセンサーがあります。

空間に乱れがない場合、ビームの振動は互いに打ち消し合います。しかし、空間が重力波によって引き伸ばされると、2 本のパイプ内のレーザービーム間の距離が移動するため、完全には重ならず、センサーがこの「位相シフト」を検出することになります。

重力波イベントがパイプに及ぼす伸張の量は、通常、陽子の幅のほんの一部にすぎません。センサーがこのような小さな変化を記録できるようにするには、システムを環境やレーザー自体から発生するノイズから分離する必要があります。

観測所がブラックホールの「衝突」を検知 - 1 — LIGO 観測所はワシントンとルイジアナ (米国) にある 2 つの同一の干渉計で構成されており、各干渉計は L 字型に配置された 2 本の 4 km の長さのパイプで構成されています。 (写真: 新華社/カリフォルニア工科大学/MIT/LIGO Lab)

2019年から2020年にかけての観測所の打ち上げ前のアップグレード中に、科学者たちは「光圧縮」と呼ばれる技術を使ってノイズを低減した。

この技術は、レーザー光自体から発生するノイズを低減することを目的としています。光は個々の粒子で構成されているため、レーザービームがセンサーに到達すると、個々の光子が前または後に到着することがあり、重力波がない場合でもレーザー波が重なり合わず、完全に打ち消されることはありません。

カリフォルニア工科大学の物理学者リー・マッカラー氏は、「光圧縮」技術は、より均一でノイズの少ない光子を含む補助レーザービームを干渉計に導入することでこの影響を軽減すると説明する。

完璧な測定法はない

しかし、量子力学の奇妙な法則により、光子の到着時間の不確実性を減らすと、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鏡に押し付けられ、鏡が揺れ、別の種類のノイズが発生し、低周波重力波に対する感度が低下します。

「これは自然の美しい現象で、ある時点での微調整が別の時点で犠牲を払うことになる場合、絶対的に正確な測定はできないということを示しています」とMITの実験物理学者ネルギス・マヴァルヴァラ氏は語った。

観測所がブラックホールの「衝突」を検知 - 2 — 2 つのブラックホールが衝突して 1 つに融合するシミュレーション。（写真：NASAゴダード宇宙飛行センター）

2020 年から現在までのアップグレードは、この問題に対処することを目的としています。科学者たちは、両端に鏡が付いた長さ300メートルの真空管を追加で製作し、二次ビームを干渉計に送る前に2.5ミリ秒間保存できるようにした。これらのチューブの役割は、補助レーザーの波長を調整し、高周波でのノイズを低減し、低周波でのミラーの振動を低減することです。

この改良により、研究者は、各ブラックホールがどのように自転し、互いの周りを回転するかなど、ブラックホールがどのように重力波を生成するかについての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が、これまで以上に厳密に検証されることを意味する。

天体物理学者たちはまた、重力波がブラックホールの衝突や合体から得られる信号以外にも、超新星爆発前の崩壊する星の重力シグネチャなど、他の種類の信号を明らかにするだろうと予測している。科学者たちはまた、放射線のパルスを放出する回転する中性子星であるパルサーの表面から重力波を検出することも期待している。

（出典：Zing News）

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