[論文レビュー] The US Program in Ground-Based Gravitational Wave Science: Contribution from the LIGO Laboratory

D. H. Reitze, Rich Abbott+182 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、Advanced LIGO よりも10倍の歪み感度を向上させる第三世代（3G）地上重力波検出器、たとえば Cosmic Explorer の開発を提案する。これにより、赤方偏移 >10 の領域までブラックホールや中性子星合体の検出が可能となり、信号対雑音比1000を超えることが可能となる。これにより、年間数万件の検出が可能になり、多メッセンジャー天文学の新時代が開かれる。

ABSTRACT

Recent gravitational-wave observations from the LIGO and Virgo observatories have brought a sense of great excitement to scientists and citizens the world over. Since September 2015,10 binary black hole coalescences and one binary neutron star coalescence have been observed. They have provided remarkable, revolutionary insight into the "gravitational Universe" and have greatly extended the field of multi-messenger astronomy. At present, Advanced LIGO can see binary black hole coalescences out to redshift 0.6 and binary neutron star coalescences to redshift 0.05. This probes only a very small fraction of the volume of the observable Universe. However, current technologies can be extended to construct "$3^\\mathrm{rd}$ Generation" (3G) gravitational-wave observatories that would extend our reach to the very edge of the observable Universe. The event rates over such a large volume would be in the hundreds of thousands per year (i.e.tens per hour). Such 3G detectors would have a 10-fold improvement in strain sensitivity over the current generation of instruments, yielding signal-to-noise ratios of 1000 for events like those already seen. Several concepts are being studied for which engineering studies and reliable cost estimates will be developed in the next 5 years.

研究の動機と目的

• 現在の Advanced LIGO や Virgo の装置をはるかに超える感度を備えた3G検出器の開発により、地上重力波天文学を前進させること。
• 赤方偏移10を超える領域までコンパクトな連星合体の検出を可能とし、初期宇宙および最初の星の形成を調査すること。
• 近接イベントに対して1000を超える信号対雑音比を達成し、一般相対性理論の検証および天体物理パラメータの測定において、前例のない精度を実現すること。
• Cosmic Explorer やエインシュタイン・テレスコープを含む国際的な3G検出器ネットワークへの貢献を通じて、グローバル科学コミュニティを支援し、最適な天の川位置特定と多メッセンジャー追従観測を可能とすること。
• 3G検出器建設に不可欠な技術、たとえば冷却されたケイ素試験質量、高度な被膜、周波数依存のしぼみ効果を成熟化すること。

提案手法

• Advanced LIGO よりも10倍の歪み感度向上を達成する40 km基準長のインタファーメーター（Cosmic Explorer）の設計および工学的調査。
• 段階的建設の実施：CE ステージ1（2030年代後半）では A+ のアップグレード技術を活用し、CE ステージ2（2040年代半ば）ではケイ素試験質量とアモルファスケイ素被膜を用いた123 Kでの冷却運転を実施。
• 長いアーム長（40 km 対 4 km）と高い光学パワーを活用し、感度を向上させ、量子ノイズを低減。
• 周波数依存のしぼみ効果を導入し、重要な周波数帯でのノイズ低減を図り、低周波数感度を向上。
• より重く大きな試験質量を安定化させるために、高度なサスペンションシステム、振動遮断、および角度アライメント制御を開発。
• 代替レーザー波長（1.5–2 µm）、新しいミラー材料、冷却運転を用いた熱的ノイズ低減の長期的R&Dを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移10を超える領域への重力波検出を拡大することの科学的インパクトは何か。特に最初の星やブラックホールの形成を調査する上でどのような意義があるか。
• RQ2 3G検出器は、Advanced LIGO に対してどのように10倍の歪み感度向上を達成できるのか。その技術的道筋は何か。
• RQ3 40 kmのインタファーメーターに冷却ケイ素試験質量と低ノイズ被膜を用いる際の主な工学的および材料的課題は何か。
• RQ4 Cosmic Explorer やエインシュタイン・テレスコープを含む国際的な3G検出器ネットワークは、天の川位置特定をどのように向上させ、高精度な多メッセンジャー天文学を可能にするか。
• RQ5 現在の検出器技術から完全に実現された3G観測所に移行するための必要なR&Dのマイルストーンと費用見積もりは何か。

主な発見

• Cosmic Explorer のような3G検出器により、二重ブラックホール合体の検出範囲が赤方偏移 z > 10 まで拡大され、初期宇宙および最初のブラックホールの形成の研究が可能になる。
• 歪み感度が10倍向上することで、3G検出器は近接イベントに対して1000を超える信号対雑音比を達成し、パラメータ推定の精度と一般相対性理論の検証の精度が飛躍的に向上する。
• コンパクトな連星合体のイベントレートは、最初の2回のAdvanced LIGO運用で観測された11件に対し、年間数十万件（1時間に数十件）に達すると予測される。
• Cosmic Explorer の設計には、40 kmのアーム長と、ケイ素試験質量およびアモルファスケイ素被膜を用いた123 Kでの冷却運転が含まれ、熱的ノイズ低減を実現。
• 建設スケジュールには、CE ステージ1（2030年代後半）とCE ステージ2（2040年代半ば）が含まれ、発光システム、被膜、サスペンション技術のための重要なR&Dが必要。
• 今後5年間で設計を最終化するための工学的調査と費用見積もりが必要であり、周波数依存のしぼみ効果や低熱的ノイズ材料などの技術成熟を長期的R&Dで推進する必要がある。