重力波検出

重力波は、巨大なレーザー干渉計の直交するアームの相対的な長さに重力波が引き起こす微細な変化を測定することによって検出されます。この偉業は2015年にLIGOによって初めて達成されました。

Definition

重力波検出とは、通過する波によって生じるひずみ、すなわち距離の分数変化を測定することであり、地上ではキロメートル規模の基線を持つレーザー干渉計によって、また計画中の宇宙干渉計によって、そして非常に低い周波数ではミリ秒パルサーのタイミングアレイによって達成されます。

Scope

このトピックでは、干渉計による検出の原理、L字型干渉計の波のひずみに対する応答、主要なノイズ源（地震ノイズ、熱ノイズ、量子ショットノイズ）とその抑制技術、世界の検出器ネットワーク（LIGO、Virgo、KAGRA）および計画中の宇宙観測所とパルサータイミング観測所、そしてノイズの中から信号を抽出するために使用されるマッチドフィルタリングデータ解析について扱います。

Core questions

• レーザー干渉計はどのようにして時空のひずみを測定可能な信号に変換するのでしょうか？
• どのようなノイズ源が感度を制限し、それらはどのように克服されるのでしょうか？
• 検出器のノイズの中から弱い信号はどのように識別されるのでしょうか？

Key concepts

• レーザー干渉計
• ひずみ感度
• 地震ノイズと熱ノイズ
• 量子ショットノイズ
• 検出器ネットワークと三角測量
• マッチドフィルタリング

Key theories

干渉計によるひずみ測定

通過する波は、2つの直交する干渉計アームの長さを互いに逆方向に変化させ、再結合されたレーザー光の干渉をずらすため、測定された位相シフトは重力波のひずみを直接読み取ることになります。

マッチドフィルター検出

予測される波形を事前に計算できるため、ノイズをはるかに下回る信号は、理論的なテンプレートのバンクとデータを相関させることによって抽出されます。これは最初のブラックホール合体を確定した技術です。

Clinical relevance

検出技術は、重力波天文学が何を観測できるかを決定します。地上干渉計は恒星質量連星合体の可聴周波数帯をカバーし、計画中の宇宙ミッションはより低い周波数で大質量ブラックホール連星に到達し、パルサータイミングアレイは超大質量ブラックホール連星からのナノヘルツ波を調査し、これらが重力波スペクトル全体を網羅します。

History

1960年代のジョセフ・ウェーバーによる共振棒の試みは、この分野を刺激しました。ワイスは1970年代初頭に干渉計アプローチを考案し、数十年にわたる開発の後、LIGOは2015年9月に初の直接検出を達成しました。この功績は、2017年のノーベル賞としてワイス、ソーン、バリッシュに授与されました。

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

検出器は原子核よりも小さな長さの変化をどのように測定できるのでしょうか？

キロメートルに及ぶアーム、高出力の安定化レーザーを数千回反射させること、そして地震や熱による擾乱からの極端な隔離を用いることで、干渉計は重力波によって生じる10^-18メートルオーダーの差動アーム長変化を感知します。

なぜ1つではなく複数の検出器が必要なのでしょうか？

ネットワークは、信号が局所的なノイズではなく天体物理学的なものであることを確認し、広範囲に離れたサイト間での到着時間を比較することで、空上の発生源を特定します。これは、多波長観測のための望遠鏡の方向付けに不可欠です。