重力波望遠鏡KAGRAで聞く! ブラックホール誕生の声

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1 新潟大学大学院自然科学研究科電気情報工学専攻 2016 年 10 月 5 日 電気情報工学特別講義 第 6 回 道村唯太東京大学大学院理学系研究科物理学専攻

2 講義スケジュール 10 月 3 日 ( 月 ) 3 限第 1 回重力波の初検出について 4 限第 2 回重力波望遠鏡 KAGRA の紹介 10 月 4 日 ( 火 ) 2 限第 3 回干渉計と共振器の原理 3 限第 4 回パワースペクトルと伝達関数 4 限第 5 回様々な雑音とその低減方法 10 月 5 日 ( 水 ) 2 限第 6 回重力波望遠鏡のこれから 3 限第 7 回精密測定技術の応用 4 限第 8 回 重力波天文学の夜明けと KAGRA 2

3 3 日目のレポート 重力波観測でどのようなことがわかるかをひとつ取り上げ 簡単にまとめてください 名前と学籍番号 実施日を必ず 書くこと! 3

4 重力波の波源 ブラックホール連星 中性子星連星 原始重力波 超新星爆発 パルサー 4

5 様々な周波数による観測 ( 重力波 ) 原始重力波 質量大 質量小 周期 宇宙年齢 年時間秒ミリ秒 周波数 Hz Pulsar timing 地上干渉計 3 CMB B-mode Doppler tracking 宇宙干渉計 共振型 5

6 様々な周波数による観測 ( 電磁波 ) ブラックホール γ 線バースト 星間物質 遠方銀河の赤方偏移 波長 m 電波マイクロ波赤外線紫外線 X 線 γ 線 周波数 Hz 野辺山電波すばる Hubble ひとみ Swift 6

7 重力波天文学でわかること 原始重力波インフレーション 宇宙の誕生と進化 ブラックホール連星超巨大ブラックホールの形成の謎 中性子星連星高密度核物質の状態方程式強磁場 強重力場 超新星爆発重元素の起源 一般相対性理論の検証 重力理論 宇宙膨張の観測 ( 標準音源としての重力波 ) 暗黒物質 未知の天体??? 7

8 今回のお話 重力波望遠鏡のこれから 地上重力波望遠鏡 Einstein Telescope 計画 Cosmic Explorer 計画中性子星の状態方程式 宇宙重力波望遠鏡 elisa 計画 LISA Pathfinder の成功 DECIGO 計画地上重力波望遠鏡との関係原始重力波宇宙膨張の観測 8

9 重力波望遠鏡のこれから 地上重力波望遠鏡 (10 Hz ~ 1 khz) 長基線長化 (~10 km) 鏡の大型化コーティングの改良周波数依存スクイージング 宇宙重力波望遠鏡 (0.1 mhz ~ 10 Hz) 地面振動がない 基線長を長くできる 低周波数の重力波原始重力波 大質量 BH 連星など 9

10 LIGO ( アメリカ 他 ) Virgo ( イタリア フランス 他 ) KAGRA ( 日本 他 ) 地上重力波望遠鏡の将来計画 中性子星連星 超新星爆発 からの重力波? からの重力波? さらなる 連星の 連星の形成 ブラックホール連星の発見? 波源特定? メカニズム解明? 初稼働感度向上と観測運転感度 3 倍感度 3 倍インド参入初検出 試運転 10km 計画初稼働感度向上と観測運転感度 3 倍感度 3 倍 試運転 初稼働 10km 計画 感度 3 倍 10

11 Einstein Telescope 基線長 10 km 地下 低温 / 常温 200 kg 三角形 Xylophone 11

12 Einstein Telescope 基線長 10 km 地下 低温 / 常温 三角形 Xylophone 12

13 ELiTES Project ET-LCGT Telescopes: Exchange of Scientists 低温 地下建設 13

14 Cosmic Explorer 基線長 km 120 K or 常温 320 kg 1550 nm or 1064 nm arxiv:

15 太陽質量程度で半径 10 km 超高密度な原子核太陽密度の 倍 中性子星 15

16 中性子星の状態方程式 ほとんどわかっていない 現在見つかっている最大質量の中性子星 1.97±0.04 Ms Nature 467, 1081 (2010) 16

17 連星中性子星合体シミュレーション 状態方程式によって合体の様子が異なるブラックホールに崩壊するタイミング EOS: H4, 1.4 Ms Ms Simulation by K. Hotokezaka 17

18 状態方程式とスペクトル 中性子星連星合体のスペクトルから状態方程式がわかる 合体してすぐに BH BH になる前に少し NS BH になる前にしばらく NS Phys. Rev. D 83, (2011) 18

19 宇宙重力波望遠鏡 地面振動がない 基線長を長くできる ヨーロッパの elisa 計画 日本の DECIGO 計画 大質量 BH ブラックホール 中性子星 超新星爆発 中間質量 BH 19

20 elisa 計画 Evolved Laser Interferometer Space Antenna 元々は NASA と ESA の合同 (2011 年に NASA 撤退 ) 基線長 500 万 km 100 万 km? 2034 年打ち上げ? 20

21 2016 年のもう 1 つの重大ニュース LISA Pathfinder の成功宇宙重力波望遠鏡 LISA の技術実証機 2016 年 6 月 7 日に最初の結果が公開された 加速度雑音と変位雑音が LISA の要求を満たした LISA へ大きな一歩 M. Armano+, PRL 116, (2016) 21

22 LISA Pathfinder 2015 年 12 月 3 日打ち上げ成功 2016 年 1 月 22 日 L1 に到達 2016 年 2 月 16 日ドラッグフリー達成 2016 年 3 月 1 日 science mission 開始 2016 年 6 月 7 日最初の結果公開 (2017 年 5 月まで運用 ) lisa-pathfinder-in-space/ photos-vega-lights-up-the-night-over-theamazon-launching-lisa-pathfinder/ 1998 年に最初の提案 2000 年に採択 当初は2006 年打ち上げ予定だった 22

23 12 月 3 仏領ギアナ 23

24 1 月 22 日 L1 に到達 freefall-space-cubes-are-test-forgravitational-wave-spotter

25 2 月 16 日ドラッグフリー成功 25

26 LISA Pathfinder の中身 ヘテロダイン干渉計 TM1 に追従するように μn スラスタで衛星をドラッグフリー制御 TM1 に追従するように静電アクチュエータで TM2 を制御 M. Armano+, PRL 116, (2016) 26

27 LPF の中身 LTP: LISA Technology Package が中心部品 ltp-core-assembly-of-the-lisa-technology-package/ lisa-technology-package-core-assembly-integration/

28 LISA Technology Package 慣性センサ系と光計測系 Operations/LISA_Pathfinder_operations 28

29 TM(Au-Pt 合金 ) と極板のついたハウジング静電センサ / アクチュエータ静電場遮蔽 TM- 極板間隔 : mm クランプ リリース機構 UV 帯電除去 (TM とハウジング両方 ) 慣性センサ系 29

30 ハウジング lisa-pathfinder-test-mass/ /06/LISA_Pathfinder_electrode_housing_box 30

31 光計測系 35 mw NPRO レーザー 強度 / 位相変調系 Optical Bench ビート周波数の位相測定器 31

32 Optical Bench 構成部品 光検出器は QPD(InGaAS) でアラインメントもモニタ J. Bogenstahl PhD thesis (University of Glasgow, 2010) 32

33 LISA Pathfinder の最初の結果 地球に通信アンテナを向けるための衛星回転からくる遠心力雑音を差っ引き ピークの原因は不明 位相測定器雑音 謎の雑音 残留ガス熱雑音? 衛星の並進 回転加速度からくる雑音を差っ引き 33

34 elisa と地上重力波望遠鏡 地上重力波望遠鏡が検出する 10 年以内前に検出できる elisa を強力に後押し elisa Perspective 2016 Call for L Proposal 2023 Launch as L month to orbit 早まる可能性も? NASA 戻ってくるかも? PRL 116, (2016) 34

35 重力実験の歴史 35

36 自由落下実験 ( 等価原理の検証 ) 36

37 DECIGO 計画 Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory (decide and go) 基線長 1000 km LISA と地上の中間の周波数を狙う 37

38 LISA との違い elisa 基線長 500 万 km Michelson 干渉計大質量ブラックホール DECIGO 基線長 1000 km Fabry-Pérot 干渉計中間質量ブラックホール原始重力波白色矮星連星などの前景重力波雑音がない 38

39 DECIGO による原始重力波観測 DECIGO は原始重力波の観測に適している スペクトルの形から宇宙の歴史がわかる 安東正樹日本物理学会 2016 年秋季大会スライドより 39

40 原始重力波のスペクトル インフレーションモデルによって異なる Phys. Rev. Lett. 113, (2014) 40

41 B-DECIGO DECIGOの前段階 基線長 100 km 地球周回軌道 2020 年代の打ち上げを目指す 絵 : 佐藤修一 41

42 B-DECIGO の感度 GW150914のような連星ブラックホールの起源に迫れる Prog. Theor. Exp. Phys. 093E01 B- 42

43 宇宙の距離梯子 ふつう 天体までの距離を測定するのは難しい絶対等級みかけの明るさ 重力波だと距離が直接わかる! 43

44 宇宙膨張 1929 年 Edwin P. Hubble 遠くの銀河ほど早く遠ざかっている ( ハッブルの法則 ) 宇宙膨張の発見 44

45 宇宙膨張 今の宇宙 45

46 宇宙膨張 将来の宇宙 ( 拡大コピー ) 46

47 宇宙膨張 重ねると? 47

48 宇宙の加速膨張 1998 年遠方超新星の観測による加速膨張の発見超新星爆発はほぼ同じ明るさ 距離がわかる 2011 年ノーベル賞 48

49 重力波による宇宙膨張の観測 中性子星連星からの重力波で距離がわかる 母銀河がわかれば赤方偏移がわかる ( 電磁波観測 ) 宇宙加速膨張が確認できる ( 重力波の位相を詳しく調べれば電磁波観測も不要 ) Phys. Rev. D 83, (2011) Phys. Rev. D 85, (2012) 49

50 第 6 回まとめ 様々な周波数での重力波観測が重要 地上重力波望遠鏡 (10 Hz ~ 1 khz) 10 km スケールの大型化計画 Einstein Telescope Cosmic Explorer 中性子星の状態方程式 宇宙重力波望遠鏡 elisa 計画 (0.1 mhz ~ 100 mhz) 重力波の初検出と LISA Pathfinder の成功で世界は変わった! 宇宙重力波望遠鏡 DECIGO 計画 (0.1 Hz ~ 10 Hz) 原始重力波の観測に有利宇宙膨張の観測 50

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