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、高速で移動する巨大な物体によって発生し、その移動に伴い空間構造が引き伸ばされます。LIGOは2015年の運用開始以来、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、ブラックホール対が合体する過程にある渦巻き運動に由来しています。

観測所がブラックホールの衝突を検出

LIGOは、ワシントンとルイジアナにある2つの検出器（干渉計）で構成されています。この干渉計はレーザービームを2つに分割し、2本の長い真空管の両端に設置された2枚の鏡の間で反射させます。それぞれの真空管は長さ4kmで、L字型に垂直に配置されています。2本の真空管の交差点にはセンサーが設置されています。

宇宙に擾乱がない場合、ビームの振動は互いに打ち消し合うはずです。しかし、重力波によって空間が引き伸ばされると、2本のパイプ内のレーザービーム間の距離が変化するため、ビームが完全に重なり合わなくなり、センサーはこの「位相ずれ」を検知します。

重力波イベントがパイプに及ぼす伸張量は、通常、陽子の幅のほんの一部に過ぎません。センサーがこのような小さな変化を記録するには、システムを環境からのノイズやレーザー自体から遮断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、それぞれの干渉計はL字型に配置された長さ4kmのパイプ2本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研究所）

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、レーザー光自体の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際、個々の光子がセンサーの前後に到達する可能性があり、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がなくなります。

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、光子の到着時刻の不確実性を低減すると、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つに合体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、両端に鏡を備えた長さ300メートルの真空管を新たに構築し、補助ビームを干渉計に送る前に2.5ミリ秒間保存します。これらの真空管の役割は、補助レーザーの波長を調整し、高周波でのノイズを低減すると同時に、低周波での鏡の振動を低減することです。

この改良により、研究者は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、より詳細な情報、例えば各ブラックホールがどのように自転し、互いにどのように公転しているかなど、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言するアルベルト・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します。

天体物理学者たちは、重力波がブラックホールの衝突や合体による信号以外にも、超新星爆発前の崩壊星の重力的な特徴など、様々な種類の信号を明らかにすると予測しています。また、科学者たちは、パルス状の放射線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の重力波の検出も期待しています。

（出典：Zing News）

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