[論文レビュー] The Advanced LIGO Gravitational Wave Detector

S. J. Waldman|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 16被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、初期LIGOに比べて歪み感度を10倍向上させる次世代重力波検出器Advanced LIGOの設計および性能目標を提示する。これには、パワー再利用および信号再利用キャビティ、より大きなレーザー出力、低減された熱的および量子的ノイズを含む高度な光学配置が含まれる。その結果、観測可能な宇宙空間の体積が1,000倍に増加し、稼働後は毎年1～1,000件のコンパクト二重星合体の検出が可能になる。

ABSTRACT

The Advanced LIGO gravitational wave detectors will be installed starting in 2011, with completion scheduled for 2015. The new detectors will improve the strain sensitivity of current instruments by a factor of ten, with a thousandfold increase in the observable volume of space. Here we describe the design and limiting noise sources of these second generation, long-baseline, laser interferometers.

研究の動機と目的

• 初期LIGOに比べて歪み感度を10倍向上させる第二世代重力波検出器の設計および実装。
• 熱的、量子的、地震的ノイズといった主要なノイズ源を、革新的な光学的および機械的工学的手法により低減。
• 中性子星二重星やブラックホール合体といった天体的源からの重力波の直接検出を可能に。
• 感度向上により宇宙空間の観測可能体積を1,000倍に拡大し、検出率を著しく向上。
• 信号再利用を用いて標準量子限界を下回る感度を達成することで、重力波天文学の新しい時代を築く基盤を提供。

提案手法

• 米国2か所（ハンフォードおよびリビングストン）の4 kmのアーム長を有する、パワー再利用および信号再利用を施したファブリ・ペロー・ミケルソン干渉計を実装。
• 技術的ノイズの結合を低減しSN比を向上させるために、真空中の出力モードクリーナーを用いたDC読み出し方式を採用。
• 非対称ポートに信号再利用ミラー（SRM）を統合し、干渉計の周波数応答を調整し、標準量子限界を下回る感度を実現。
• 低周波数域で支配的となるコーティングの熱的ノイズを低減するため、試料質量上に大径レーザービームを用いる。
• 高出力レーザー（最大35 W）と真空中の地震遮断を適用し、環境的および技術的ノイズ源を抑制。
• 帯域幅最適化または源に最適化された感度を達成するため、信号再利用キャビティの長さおよびSRMの反射率を最適化。これには、ノイズ曲線のトレードオフを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上型重力波検出器の感度を1桁向上させることで、重力波の最初の直接検出を可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 第二世代干渉型検出器における主要なノイズ源は何か。そして、光学的および機械的設計によってどのように低減できるか？
• RQ3 信号再利用は、有用な帯域幅で量子的ノイズの下限をどれほど低減でき、標準量子限界を下回る感度を実現できるか？
• RQ4 レーザー出力を増加させ、ビームサイズを拡大すると、試料質量のコーティングにおける熱的ノイズにどのように影響し、その結果として生じる感度のトレードオフは何か？
• RQ5 改善された感度を有するAdvanced LIGOでは、コンパクト二重星合体（例：1.4 M⊙の中性子星二重星）の予想検出率はどの程度になるか？

主な発見

• Advanced LIGOは初期LIGOに比べて歪み感度を10倍向上させ、観測可能な宇宙空間の体積が1,000倍に拡大された。
• コーティングの熱的ノイズが低周波数域で支配的ノイズ源であり、感度を約 $2.5 \times 10^{-23} f^{-1/2} \, \text{Hz}^{-1/2}$ に制限しており、光学素子上のビーム径を拡大することで低減された。
• 量子的ノイズが高周波数および低周波数域で感度を制限する：高周波数域では光子ショットノイズが支配的（$h \propto \sqrt{f/P}$）、低周波数域では放射圧ノイズが支配的（$h \propto \sqrt{P}/f^2$）。
• 標準量子限界（SQL）は $1.8 \times 10^{-22} / f \, \text{Hz}^{-1/2}$ であるが、信号再利用により、帯域幅 $\Delta f \sim f$ で標準量子限界を下回る感度が実現可能となる。これは、試料質量の位置と運動量の相関を用いるためである。
• ノイズ曲線のシミュレーションにより、ブロードバンド設定は全周波数帯域で良好な感度を示し、NS/NS最適化設定は1.4 M⊙の中性子星二重星の検出率を最大化することが示された。
• 既に35 Wレーザーおよび真空中の地震遮断装置を備えた初期ハードウェアの設置が開始されており、高周波数性能が向上した第6回科学運用が可能となった。