宇宙空間を利用した 重力波検出計画 第7回 高エネルギー宇宙物理連絡会研究会 「高エネルギー宇宙物理学の将来計画」 2007年3月14日 ＠東京大学宇宙線研究所 川村静児 国立天文台 話の内容 １．イントロ ２．LISA ３．DECIGO（詳しく） 重力波とは？ 潮汐的な時空のひずみが光速で伝わっていく波 一般相対性理論によりアインシュタインが予言 高速で運動する 物体から放射 伸びる 潮汐的な時空のひずみ 縮む 伸びる 縮む まだみつかっていない！ 3 重力波を出す天体現象 • 中性子星やブラックホールの連星 運動とその合体 • 超新星爆発 • パルサー 重力波天文学 • 宇宙初期 • 未知なる天体 4 連星の合体 中性子星や ブラックホールの連星 1. 連星は公転運動により重力波を出す 2. 重力波によって連星のエネルギーが運び 去られる 3. 連星のエネルギーが減少し連星間の距離 が縮まる 4. 最後は合体する 5 レーザー干渉計による重力波検出 重力波 ミラー ミラー ビームスプリッター 光検出器 レーザー 6 アーム長が長いほど 感度が高くなる 鏡 重力波は 鏡 ひずみ一定 レーザー レーザー 光検出器 光検出器 鏡 鏡 地上の大型干渉計 LIGO (4 km) GEO (600 m) TAMA (300 m) 数kmが限界！ LCGT (3 km) LIGO (4 km) VIRGO (3 km) AIGO (? km) 光共振器により感度を高める 鏡の揺れ雑 音も増幅され てしまう！ 干渉計を宇宙に持っていくと もっと長くできる • 信号が増える －重力波と光の相互作用の時間が長くなるため －ただし高周波では信号のキャンセルが起こる • ノイズが減る －地面振動や重力場の揺らぎノイズが小さい 低周波で感度がよくなる 低周波の重力波信号 • 重いものはゆっくり動く⇒低周波 • 重いものは強い重力波を出す 低周波では重力波信号が大きい LISA • • • • NASAとESAの共同計画 1mHz～10mHzを狙うスペース重力波アンテナ アーム長：500万km 2015年打ち上げ予定 （無期限延期） • 光トランスポンダ型 LISA project 12 LISAの軌道 重力波源 銀河内の白色矮星連星（保険） 巨大ブラックホールの合体（本命） 初期宇宙（？） DECIGOとは？ Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory LISAと地上検出器の帯域のギャップを埋める 超高感度の実現 10-18 Strain [Hz-1/2] LISA 地上検出器 (e.g. LCGT) 10-20 DECIGO 10-22 白色矮星連 星からの重 力波雑音 10-24 10-4 10-2 100 102 Frequency [Hz] 104 予備概念設計 光共振器型マイケルソン干渉計 アーム長：1000 km レーザーパワー：10 W レーザー波長：532 nm ミラー直径：1 m ミラー質量：100 kg フィネス：10 光共振器 光検出器 レーザー 光検出器 ドラッグフリー衛星 光共振器 軌道とコンステレーション（案） 地球 背景重力波検出の ため相関を取る レコード盤軌道 太陽 角度分解能を上げる DECIGOの狙う重力波源とサイエンス 巨大ブラックホール 形成のメカニズム解明 インフレーションの検証 ダークエネルギーの制限 DECIGOによる ダークエネルギーの制限 中性子星連星までの距離‐赤方偏移関係から モデルに制限⇒加速膨張（超新星と同じ） ・ 距離 チャープシグナルから、直接決定 ・ 赤方偏移 host galaxy, host quasar を特定 角度分解能 ～10arcmin ～10arcsec （１ユニット） （３ユニット） at z=1 宇宙の膨張加速度の直接計測 膨張 ＋加速？ DECIGO 重力波 連星中性子星 (z～1) 出力 ストレイン テンプレート (加速していない場合) 実際の信号 位相遅れ～1sec (10年の観測) 時間 Seto, Kawamura, Nakamura, PRL 87, 221103 (2001) LCGTとDECIGOの関係 時間 重 力 波 の 周 波 数 高 い LCGTとDECIGOの違い： 目的 タイムスケール 狙う重力波源 LCGT 重力波の検出 低 い （準備期間） DECIGO 重力波天文学の創成 検出器の感度，重力波源，サイエンス DECIGO LCGT 10-19 重力波源： 宇宙論的現象 重力波源： 天体現象 10-20 10-21 サイエンス： 巨大BHの形成 ダークエネルギー インフレーション 検出頻度： 常時～105個 合体 ５年前 超新星爆発 20Mpc 合体 10-22 サイエンス： 合体 10-23 銀河内 パルサー 10-24 インフレーション 背景重力波 10-26 10-3 10-2 10-1 1 10 周波数 [Hz] 10 2 103 検出頻度： 年間～10個 ２台の相関 ３年間 10-25 一般相対論の検証 爆発のメカニズム ガンマ線バースト 104 ロードマップ 2000 01 02 ▲ 地 上 03 04 05 06 07 08 09 11 12 ▲ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ▲ TAMA CLIO ス ペ ー ス 10 LCGT ▲ ▲ ▲ DPF Pre-DECIGO DECIGO R&D 26 27 28 パスファインダー 目的と構成 宇宙空間でないと試験できない技術の確認 – ドラッグフリー 基礎技術の宇宙空間での検証 – – – – レーザー 周波数安定化システム 計測システム クランプリリースシステム 低周波での重力波観測 – 0.1-1Hzでの世界最高感度実現 Pre-DECIGO 目的と構成 重力波検出 – 年間数個程度 技術実証 – 衛星間光共振技術の実証 – 力の雑音 最小限のスペック – 干渉計１台 – 小さい鏡 – 短いアーム長 重力波天文学の創成 特 定 領 域 申 請 中 DECIGOの実現 A01：DECIGO A02： パルサータイミング ア：パスファインダー ア：那須 同時観測 要 素 イ： シミュレータ 研究協力 イ：鹿島 技 術 の エ： ドラッグフリー ウ： 測距技術 オ： スラスター 開 カ： 光源 発 キ： 周波数安定化 リクワイヤーメント・インターフェース X00：総括班 方針策定・調整 理論予想・データ解析 理論予想・データ解析 A03：理論・解析 ア： 理論 イ： シミュレーション ウ： データ解析 本特定領域：宇宙空間を利用した低周波重力波天文学の開拓 まとめ 宇宙重力波検出器は低周波で感度が高い LISAによる巨大ブラックホールの合体の検出 DECIGOによる重力波天文学の創成 – 巨大ブラックホール形成 – ダークエネルギー – インフレーション
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