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光共振型DECIGOの可能性
安東正樹
東京大学理学系研究科物理学教室
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
1
はじめに
レーザー測距の観点からDECIGOを考慮
LISAの技術の流用なら、
歪み量 h : 4x10-21 1/Hz1/2 が限界
(高感度化には実効パワーの増加が不可欠)
別の可能性として、
光共振器を用いた方式を検討
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
2
DECIGO (1)
- LISAの技術の応用 -
DECIGO
LISAの基線長を短くする → 0.1Hz帯に最適化
ちなみに、BBOは …
テレスコープ径 3m
LISAの基線長の1/100であるとすると…
光源パワー 100W
… らしい
(基線長 : 5x107 m)
観測周波数帯が
高周波数帯へ移動
–18
1/2
]
10
Strain [1/Hz
低周波数帯 (加速度雑音)
→ レベルが 100倍に増加
高周波数帯 (主に散射雑音)
→ フロアレベルは変わらず
カットオフ周波数が 100倍
–19
x100
10
–20
x100
10
–21
LISA
10
DECIGO
LCGT
–22
10
–23
10
–4
10
–3
10
–2
10
–1
10
0
10
1
10
2
10
Frequency [Hz]
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
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LISA干渉計の復習 (1)
- 干渉計の構成 -
LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
3つのスペースクラフトで構成された3本の腕
5x109 mという長基線長
基本はマイケルソン干渉計
地球
太陽
LISA
20 deg
レーザー光の回折損失が大きい
ドップラー効果によって光の周波数が変動
鏡による直接反射は不可能
位相同期による光増幅反射
相手のS/Cからの光と
自らのレーザー光源の位相を同期
→ 相手のS/Cへ打ち返す
ヘテロダイン検波による変動検出
来た光と内部光源とのビート周波数で検出
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
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LISA干渉計の復習 (2)
- 基線長と回折ロス -
回折損失
レーザー光のビーム径は、
伝播とともに広がる
テレスコープ径 30cm
波長 1064nm
(最適なビームウエスト径)
基線長 105m 程度から
急激にロスが増加
10
10
10
10
10
10
0
–1
Nd:YAG laser : 1064nm
Mirror diameter : 30cm
Optimal beam profile
Diffraction Loss
回折損失の見積もり
Ratio of available power
テレスコープの大きさが
有限であることによる光の損失
–2
–3
TAMA LCGT
–4
DECIGO
LISA9
7
3
(5x10 m)
(300 m) (3x10 m)
(5x10 m)
–5
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
Baseline Length [m]
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LISA干渉計の復習 (3)
- 散射雑音 -
散射雑音レベル
フロアレベルは
: 基線長,
に比例
: 光強度
基線長を変えたときの散射雑音レベル
(光源 1W, テレスコープ径 30cm)
–17
1/2
Shot Noise [1/Hz ]
10
基線長 100km 以上では
回折ロスの影響、基線長増加の効果
→ フロアレベルは変わらない
高感度化には、
光パワーの増加が不可欠
(P1/2 で向
ハイパワーレーザーの開発
上)
大口径ミラーの開発 (D2 で向上)
検出系の高効率化
(ε1/2で向上)
光源の短波長化 (λ-3/2で向上)
–18
10
–19
10
4
10 m
–20
10
5
10 m
9
–21
10 m
10
LISA
–22
10
–4
8
7
10 m
10 m
6
10 m
DECIGO
–2
2
10
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
6
10
10
0
10
10
4
Frequency [Hz]
直接干渉型DECIGO (1)
- 光共振器の利用 -
DECIGOの高感度化
高感度実現には高レーザーパワーは不可欠
FP-DECIGO
短基線長 → 光の損失を防ぐ
FP共振器 → 実効基線長を稼ぐ
LISA型の短縮としてではなく、
地上型干渉計の拡張
(光の直接反射)
共振器による光パワーの増加
検出系の簡素化 :
自由質点間の距離の直接測定
基線長 30km, フィネス 500 の腕共振器
直径 60cmの鏡  テストマス
(もしくは, 基線長 500km, フィネス 50)
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直接干渉型DECIGO (2)
- 散射雑音レベル -
散射雑音レベル
基線長 30km, フィネス 500
(光源 1W, テレスコープ径 60cm)
–18
1/2
Shot noise [1/Hz ]
10
LISA
–19
10
4
10 m
–20
10
5
10 m
9
10 m
–21
10
8
7
10 m
10 m
6
10 m
–22
10
基線長 30km,
フィネス 500
–23
10
–4
10
–2
10
0
10
2
10
4
10
Frequency [Hz]
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直接干渉型DECIGO (3)
- 利点 -
直接反射型の利点
LISAと比較して光を有効に利用できる
散射雑音レベルの向上
光路上に余分な要素が無い (テレスコープ, 位相同期系)
鏡(テストマス)間の距離を直接計測
重力波の検出原理により近い計測法
ドラッグ・フリー制御系への要求緩和
検出器の簡素化
単一光源
位相同期、精密なドラッグフリー制御が不要
短基線長 → ミッション実現時間の短縮
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直接干渉型DECIGO (4)
- 課題 -
直接反射型の課題
スペースクラフトによるシールド
変位雑音の影響を受けやすい
近くにあることによる同相雑音除去
外来雑音 (重力場・磁場変動)
輻射圧雑音
スペースクラフト内の重力場・磁場
→ 鏡の大質量化, 制御による抑圧
輻射圧雑音, 熱雑音
光路長などの精密制御が必要
光の波長より十分良い精度の制御
アラインメント制御
大型の鏡が必要
形状誤差, 研磨精度
短基線長なら、軌道変動も小さい
制御によって抑圧
光源へのフィードバック
形状誤差, 研磨精度は、
テレスコープでも同様の要求
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
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直接干渉型DECIGO (5)
- 軌道計算 -
軌道計算
→ 十分制御可能な変動
惑星などの摂動を考慮
多体問題 → 数値計算
地球, 木星, 金星の影響が大きい
地球から遠ざける :
太陽から見て地球の45度後ろ
(地球の効果と他の木星の効果が同等)
基線長
年間の基線長変化
30 km
10 m (10cm/30 days)
500 km
200 m (10cm/7days)
6
5x10 km (LISA)
3x104 km
基線長
年間の基線長変化
30 km
1 mm
500 km
30 cm
6
5x10 km (LISA)
3x104 km
Distance change between S/C [m]
太陽重力のみを考慮 (ケプラー運動)
100
S/C1 and S/C2
S/C2 and S/C3
S/C3 and S/C1
75
50
25
0
–25
–50
0
基線長 30km
1
2
3
4
5
Time [year]
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直接干渉型DECIGO (6)
- 感度曲線 -
FP-DECIGOの感度
LISAとLCGTの間を埋める感度
–18
1/2
Strain [1/Hz ]
10
銀河系内連星
バックグラウンド雑音
FP-DECIGO
基線長 30km
フィネス 500
–20
10
LISA
–22
LCGT
10
FP-DECIGO
基線長 500km
フィネス 50
–24
10
–4
10
–2
10
地上の
重力場変動雑音
熱雑音
0
10
2
10
4
10
Frequency [Hz]
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まとめ
LISAの技術の流用なら、
歪み量 h : 4x10-21 1/Hz1/2 が限界
高感度化には実効パワーの増加が不可欠
量子雑音以外の雑音の影響を受けにくいことから
別の可能性として、
比較的短距離の直接反射型 (FP-DECIGO)
という選択肢もある
スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ第３回ミーティング (2005年5月12日国立天文台, 東京)
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はじめに
- 重力波源 -
宇宙における干渉計型重力波検出器
様々な重力波源 → 天文学
宇宙での干渉計方式を考える
初期宇宙からの重力波 → 宇宙論
–16
10
Strain [1/Hz
1/2
]
–18
大質量
ブラックホール連星合体
LISA
10
中性子星
連星合体
重力崩壊型
超新星爆発
銀河系内連星
–20
10
銀河系内連星
バックグラウンド雑音
–22
10
–24
10
DECIGO (量子限界)
–26
–5
10
–4
10
–3
10
–2
–1
LCGT
重力場変動雑音
(地上検出器)
基線長 108 m, マス 100kg,
レーザー光 10MW, テレスコープ径 3m
10
ScoX-1
(1yr)
パルサー
初期宇宙
(1yr)
からの重力波
(Wgw=10-14)
0
1
10 10
10 10
Frequency [Hz]
2
10
3
10
4
10
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