[論文レビュー] Correlated Detection of sub-mHz Gravitational Waves by Two Optical-Fiber Interferometers

Reginald T. Cahill, Finn Stokes|ArXiv.org|Feb 18, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、1.1 km離れた2つのコンactで低コストな光ファイバー干渉計を用いて、最初の同時検出を実現した。検出器は、光ファイバー内の光速の異方性を活用して重力波効果を検出する。80日間のデータ収集中に、歪みスペクトル指数 $ a = -1.4 \pm 0.1 $、地球の自転および公軌道効果が明確に観測された。

ABSTRACT

Results from two optical-fiber gravitational-wave interferometric detectors are reported. The detector design is very small, cheap and simple to build and operate. Using two detectors has permitted various tests of the design principles as well as demonstrating the first simultaneous detection of correlated gravitational waves from detectors spatially separated by 1.1km. The frequency spectrum of the detected gravitational waves is sub-mHz with a strain spectral index a=-1.4 +/- 0.1. As well as characterising the wave effects the detectors also show, from data collected over some 80 days in the latter part of 2007, the dominant earth rotation effect and the earth orbit effect. The detectors operate by exploiting light speed anisotropy in optical-fibers. The data confirms previous observations of light speed anisotropy, earth rotation and orbit effects, and gravitational waves.

研究の動機と目的

• サブミリヘルツ重力波を低コストでコンパクトな光ファイバー干渉計で検出する可能性を示すこと。
• 空間的に分離された検出器間で相関する重力波効果の検出を検証すること。
• 長期間にわたる観測期間における低周波数重力波の周波数スペクトルおよび方向性の特徴を同定すること。
• 光ファイバー内の光速の異方性が重力波効果の検出を可能にするという仮説を検証すること。
• 動的3次元空間の物理的効果を観測することで、ローレンツとアインシュタインの特殊相対性理論の解釈を区別すること。

提案手法

• 単モードで偏光を保持する光ファイバーを用いた、変更を加えたミケルソン干渉計の設計の採用。
• 2x2ビームスプリッターおよびビーム結合器を用いて、光を再結合させ、強度に基づく干渉信号を生成。
• 各干渉計のアームで、局所の子午線からわずかな角度ずれ（5°および11°）を設けることで、方向性の重力波効果に対する感度を向上。
• ヘリウムネオンレーザー（633 nm）をコherentな光源として使用し、位相差をフォトダイオード検出器で測定し、リアルタイムで記録。
• 温度安定化およびファイバー・ループ構成を導入して、有効路長を短縮し、信号安定性を向上。
• 時系列データの解析により、地球の自転および公軌道運動に関連する変調パターンを抽出し、赤経・赤緯の補正を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで低コストな光ファイバー干渉計設計により、サブミリヘルツ重力波を検出可能か？
• RQ2 空間的に分離された2つの検出器間で、重力波信号に測定可能な相関が存在するか？
• RQ3 検出されたサブミリヘルツ重力波信号の周波数スペクトルおよび歪みスペクトル指数は何か？
• RQ4 地球の自転および公軌道運動が、検出信号にどの程度の変調を引き起こすか？
• RQ5 光ファイバー内での観測された光速の異方性は、ローレンツ解釈が予測する動的3次元空間の存在を支持するか？

主な発見

• 1.1 km離れた2つの光ファイバー干渉計間で、最初の相関するサブミリヘルツ重力波の同時検出に成功した。
• 検出された重力波信号は、歪みスペクトル指数 $ a = -1.4 \pm 0.1 $ を示しており、周波数にべき乗則的依存性があることを示している。
• 地球の自転に起因する顕著な変調が観測され、12時間周期が検出器の子午線からの角度ずれによって変化していた。
• 地球の公軌道運動は、信号振幅の最小値および最大値の時間的変化として長期的トレンドとして検出され、恒星日および公軌道効果と整合的であった。
• データは、動的3次元空間の存在を支持しており、光ファイバー内の光速の異方性が重力波効果を物理的に探査する手段として有効であることを示している。
• 複数の実験的手法および歴史的観測結果と一貫しており、アインシュタインの時空形式に代わるローレンツ解釈の妥当性を強化している。