[論文レビュー] The Detection of Gravitational Waves with LIGO

B. C. Barish|ArXiv.org|May 8, 1999

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、カリフォルニア工科大学とマサチューセッツ工科大学が共同で開発した、重力波を宇宙的源（例えば、連星の合体、超新星、回転する中性子星など）から検出することを目的とした、2基のレーザー干渉計で構成されるネットワークであるレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）の設計、科学的目的、技術的状況を概説している。レーザー干渉法を用い、キロメーター規模のアームを備えることで、一般相対性理論が予測する時空の揺らぎを観測するのに必要な感度を達成している。

ABSTRACT

Gravitational wave emission is expected to arise from a variety of astrophysical phenomena. A new generation of detectors with sensitivity consistent with expectation from such sources is being developed. The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), one of these ambitious undertakings, is being developed by a Caltech-MIT collaboration. It consists of two widely separated interferometers, which will be used in coincidence to search for sources from compact binary systems, spinning neutron stars, supernovae and other astrophysical or cosmological phenomena that emit gravitational waves. The construction of LIGO is well underway and preparations are being made for the commissioning phase. In this lecture, I review the underlying physics of gravitational waves, review possible astrophysical and cosmological sources and discuss the LIGO interferometer status and plans.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論が予測する天体的現象を観測可能な大規模な重力波検出ネットワークを確立すること。
• 重力波によって引き起こされる極めて微弱な時空歪み（約10^-18メートルのオーダー）を検出する挑戦に応えること。
• 米国に2基の干渉計を設置し、一致検出によって誤検出を低減する二重干渉計システムを構築すること。
• LIGOの導入フェーズに備え、2000年代初頭までに科学的運用に備える準備を整えること。
• 1999年現在の重力波源、検出原理、およびLIGOの技術的進捗に関する包括的な概要を提供すること。

提案手法

• 4kmの基準長を有するレーザー干渉法を用い、通過する重力波によって生じる位相差の変化を測定する。
• アクティブな地震的および熱的遮断システムを導入し、環境ノイズを低減するとともに、レーザー光ビームの安定性を維持する。
• 広く離れた2か所（ワシントン州ハンフォードのL1、ルイジアナ州リビングストンのL2）に配置されたLIGO施設を用い、信号の相互検証を行い、誤検出を低減する。
• 一致フィルタリングおよび一致解析技術を用い、機器的または環境的ノイズと本物の重力波イベントを区別する。
• 標準量子限界に近い感度を向上させるために、パワー再循環および信号再循環といった量子ノイズ低減技術を適用する。
• 高度なデータ解析パイプラインを活用し、連星合体からの一時的信号、パルサーからの連続波、超新星からのバースト信号を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGOが検出可能な重力波の最も有望な天体的源は何か？
• RQ2 キロメーター規模の基準長で、約10^-22の歪み感度を達成するため、レーザー干渉法はどのようにして実現可能か？
• RQ3 LIGO干渉計の安定運用を実現するために克服すべき技術的および環境的課題は何か？
• RQ4 広く離れた2か所の施設間での一致検出は、重力波検出の信頼性をどのように向上させるか？
• RQ5 ブラックホール連星合体や中性子星のスピンダウンなど、さまざまなタイプの重力波信号に対してLIGOの期待される感度はどの程度か？

主な発見

• LIGOの二施設干渉計設計により、非一致ノイズの効果的排除が可能となり、潜在的検出の信頼性が著しく向上する。
• 理論的モデル化により、連星系（例えば、ブラックホールまたは中性子星連星）が検出可能な重力波の最も強力な源であることが確認された。
• 1999年時点でLIGOの建設は着実に進行しており、導入フェーズの準備が進められており、初期科学運用に向けた準備が整いつつあった。
• LIGOの感度目標は、星質量連星合体の一般相対性理論による予測と整合する約10^-22の歪み振幅を検出することに設定されていた。
• 二重干渉計の運用により、局所的ノイズパulsesによる誤アラームを低減する一致トリガー閾値を設定できる。
• 本論文は、LIGOの設計が一般相対性理論の強力場領域を直接観測することで探査可能であることを確認している。