Gap between LISA and Ground

他波長での重力波観測の可能性
重力波研究会 @京大基研
2003年1月30日
川村 静児 (国立天文台)
内容
1. 100MHz重力波検出器について
2. DECIGOについて
3. まとめ
超高周波重力波検出器
• 予測される重力波信号は小さい
• アーム長が長いと信号がキャンセルするた
めアーム長を伸ばせない ー 感度が悪い
• きびしい!
• あまり誰もやっていない
Synchronous Recycling
重力波の周期 = 4×アーム長
(1mのアーム長に対して75MHz
の重力波)
重力波信号はシンクロナス的に
増幅される
遅
遅
速
速
速
遅
速
遅
ビーム
スプリッター
レーザー
感度(1)
• 1Wのレーザーで変位ショットノイズは
10-16 m/rHz
• 共振器のフィネス105は可能
• 変位感度:10-21 m/rHz
• ストレイン感度:10-21 1/rHz
• バンド幅:1kHz
2台の出力の相関
干渉計 A
1kHz BPF
2台上下に重ねる
(距離:~20cm)
干渉計 B
1kHz BPF
積分
感度(2)
• 信号は積分時間に比例して増える
• 無相関の雑音はバンド幅(1kHz)の逆数(1msec)
程度より長く積分しても積分時間のルートでしか
増えない
• 1年間(3×107sec)積分すると
• 信号雑音比の改善:
√(3×107/10-3)=1.7×105
• 感度:6×10-27 1/rHz
• バンド幅:1kHz
検討項目
• 理論
- この感度で見つかるソースはあるか?
- 見つからなくても有為なアッパーリミットは出せるか?
• 実験
- 他の雑音の見積もり
- Signal Recyclingとの比較
- 干渉計の動作方法(信号取得など)
DECIGOとは何か?

Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory
短距離型スペース重力波アンテナ
10-18
ストレイン [Hz-1/2]

LISA
10-20
DECIGO
10-22
10-24
LCGT
(感度:任意)
10-4
10-2
100
102
周波数 [Hz]
104
周波数ギャップを埋めることの
重要性
新しい窓は新しい物理を生む!
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
LISAの帯域から出て行った連星からの重力波
の検出
地上干渉計の帯域に入る前の連星からの重力
波の検出
宇宙初期からの重力波
全く新しい重力波源
全く新しい物理
アーム長と感度の関係
ストレイン [Hz-1/2]
10-18
100
f-2
LISA
10-19
10-20
10-21
力の雑音:
XFN/L∝1/L
f1
DECIGO
f0
f0:1/L f0
アーム長:(1/100)LISA
LISAと同じ技術レベル
100
ショットノイズ (f<f0): XSN/L∝P-1/2/L∝(L-2) -1/2/L=L/L
10-4
10-2
100
周波数 [Hz]
102
DECIGOの感度
ストレイン [Hz-1/2]
10-18
10-20
DECIGO
(LISAの技術レベル
L=5×107m)
LISA
LCGT
10-22
DECIGO究極の感度1000
10-24
DECIGO究極の感度
(量子雑音のみ
M=100kg, L=5×108m)
10-26
10-4
10-2
100
周波数 [Hz]
102
104
DECIGOの有利な点
0.1Hz付近には重力波雑音がない
Extragalactic
WD-WD
10-10
Extragalactic
NS-NS
WDWD
LISA 1yr
10-16
10-13
By A. Vecchio
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)
DECIGOに必要な技術
3台の衛星
フォーメーションフライト
太陽輻射圧など
重力場による動き
ドラッグフリー衛星
光が広がる
位相ロックして増幅反射
ヘテロダイン検出
DECIGOワーキンググループ
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2002年初頭に結成
現在84名(天文台、宇宙研、大阪市立大、阪大、
京大、通総研、電通大、東大、宇宙線研、東北大、
新潟大、早大他)
2002年5月9日第1回ミーティング開催
50名以上の参加者
科学的成果とフィージビリティーについて検討
2003年秋を目標に目的とリクワイヤーメントを設定
R&Dの立ち上げ
R&Dの立ち上げ
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
精密衛星測位による地球環境監視技術の開発
(平成14年度より科学技術振興調整費の課題と
して採択)のサブテーマの一つとして通総研・新
潟大・天文台で衛星間測距のシミュレータを製作
LISAの技術開発の一環としてドラッグフリー技
術に伴う低周波での雑音の確認実験をNASAの
Goddard・天文台との間で共同研究を行なうこと
を検討中
まとめ
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Synchronous Recycling干渉計2台の出力の相関を1
年間とることにより、100MHz付近で6×10-27 1/rHz
(バンド幅:1kHz)の感度を達成できる可能性がある
理論・実験両面でのより詳しい検討が必要である
DECIGOで地上重力波アンテナとLISAとの間の周
波数ギャップを埋める
この周波数帯は重力波雑音がなく、宇宙膨張の加速
度を計測できる可能性もある
DECIGOワーキンググループにて検討が始まり、ま
たR&D実験もスタートする