Virgo

Virgo：重力波を捉える巨大干渉計

Virgo（バーゴ、またはヴィルゴ、ヴァーゴ）は、一般相対性理論によって予測される重力波を検出するために設計された、大規模なマイケルソン干渉計です。外部からの干渉を最小限に抑えるため、ミラーや装置は吊り下げられ、レーザー光線は真空中で操作されます。イタリアのピサ近郊、サントステファノ・ア・マセラータに位置するこの干渉計は、それぞれ長さ3キロメートルの2本のアームを持っています。

Virgoは、イタリア、フランス、オランダ、ポーランド、ハンガリー、スペインの6か国にわたる研究所が共同で進めている科学プロジェクトです。アメリカのハンフォードとリビングストンに設置されたLIGO干渉計と同様に、重力波の検出を目的としています。2007年以降、VirgoとLIGOはデータ共有と共同解析、そして結果の共同発表を行っています。干渉計は指向性を持たないため、複数の干渉計で同時に重力波を検出することで、信号の妥当性を確認し、信号源の方向を特定することができます。

Virgoの名前は、地球から約5000万光年離れたおとめ座銀河団に由来しています。地球上には検出可能なほど強力な重力波源がないため、Virgoは宇宙からの重力波のみを観測することになります。検出器の感度が高いほど遠くまで観測でき、潜在的な発生源の数が増加します。これは、Virgoが観測対象とする激しい現象（コンパクト星の連星系、中性子星やブラックホールの合体、超新星爆発など）がまれな現象であることと関連しています。観測する銀河が多いほど、重力波検出の確率も高まります。

歴史

Virgoプロジェクトは、1993年にフランスのCNRS、1994年にイタリアのINFNによって承認されました。干渉計の建設は1996年にピサ近郊のカーシナサイトで開始されました。2000年12月には、CNRSとINFNが欧州重力観測所（EGO）を設立し、後にオランダ、ポーランド、ハンガリー、スペインが加わりました。EGOはVirgoサイトの運営責任者であり、検出器の建設、メンテナンス、操作、アップグレードを担当しています。EGOは、ヨーロッパにおける重力に関する研究を促進することも目標としています。

2000年代には、初期のVirgo検出器が建設・試運転・運用されました。装置は設計上の感度に到達し、Virgoを構成する技術的な選択が検証されました。これは、巨大干渉計が広い周波数帯域で重力波を検出する上で有望な装置であることを示しました。しかし、初期のVirgo検出器は十分な感度を持っていなかったため、2011年に閉鎖され、10倍の感度を持つ「高度な」Virgo検出器に置き換えられました。高度なVirgo検出器は、初期の検出器から得られた経験と、それ以降の技術的な進歩を反映しています。

最初のVirgo検出器の建設は2003年6月に完了し、2007年から2011年の間にデータ取得が行われました。これらの運用の一部は、LIGO検出器と同時並行で行われました。その後、Advanced Virgoへのアップグレードが開始され、感度を1桁向上させ、1000倍の宇宙空間を調査することが可能になりました。Advanced Virgoは2016年に試運転を開始し、2017年5月と6月にLIGO検出器との共同観測に参加しました。2017年8月14日には、LIGOとVirgoによって、連星ブラックホールの合体現象であるGW170814が初めて共同検出されました。

目標

Virgoの主な目的は、アインシュタインの一般相対性理論で予測される重力波を直接観測することです。連星パルサーPSR B1913+16の研究は、重力波の存在を間接的に証明しました。連星パルサーの公転周期の変化は、重力波を放出することでエネルギーを失うという理論と一致しています。公転運動は加速しており、2つのコンパクト星は毎年約3メートルずつ接近し、約3億年後に合体すると予測されています。ただし、Virgoのような検出器で観測できるほどの強い重力波は、合体直前の最後の瞬間のみ生成されます。連星パルサーB1913+16の理論的なシナリオは、連星系からの重力波を直接検出することで確認できます。これが、VirgoやLIGOのような巨大干渉検出器の主な目標です。

重力波の発見という第一の目標を達成した後は、現在の望遠鏡や検出器とは異なる視点から宇宙を観測し、天文学の新しい分野の発展に貢献することを目指しています。重力波がもたらす情報は、電磁波スペクトル、宇宙線、ニュートリノの研究で得られる情報と相補的なものです。LIGOとVirgoは、重力波信号が検出された際、迅速に望遠鏡を運用する研究チームに通知するための協定を結んでいます。これは、信号源が本物であれば短時間しか観測できないため、迅速な対応が必要です。

重力波の干渉検出

一般相対性理論では、重力波は時空の摂動であり、光速で伝播します。重力波は時空をわずかに歪ませ、局所的に光路を変化させます。入射する重力波の振幅をh、光が循環する共振器の長さをLとした場合、重力波による光路長の変化は以下のように表されます。

δL/L = C × h

ここで、Cは共振器と入射する重力波の伝播方向との相対的な角度に依存する幾何学的要素で、C ≤ 1です。

検出原理

Virgoは、ミラーが吊り下げられたマイケルソン干渉計です。レーザーはビームスプリッターによって2つのビームに分割され、それぞれ垂直な2本のアームを伝播します。アームの端にあるミラーで反射されたビームは、ビームスプリッターで再結合され、フォトダイオードで検出される干渉パターンを生成します。入射する重力波によってアーム内の光路が変化し、干渉パターンが変化します。潜在的な重力波による信号は、干渉計の出力で検出される光強度の変動として現れます。

しかし、ノイズと呼ばれる外的要因が干渉パターンを大きく変化させます。そのため、ノイズを低減するための対策が必要です。検出器の設計では、測定に影響を与える可能性のあるノイズ源を詳細に分析し、ノイズを可能な限り低減する必要があります。データ収集中は、専用のソフトウェアがノイズレベルをリアルタイムで監視し、最も大きなノイズを特定し、低減するための調査が行われます。

検出器の感度

検出器の感度は、装置が検出できる最小の信号を示す指標です。感度の値が小さいほど、検出器の性能は優れています。感度は周波数によって異なり、例えば、Advanced Virgo検出器の感度は、低周波数の地震ノイズ、中周波数のミラーの熱ノイズ、高周波数のレーザーショットノイズによって制限されます。

Virgoは、数Hzから10kHzまでの広帯域で感度を持つ検出器です。感度は、検出器で記録されたデータに基づいてリアルタイムで計算されるパワースペクトルによって特徴付けられます。

感度の向上

単一の光共振器ではなく干渉計を使用することで、重力波に対する検出器の感度を大幅に向上させることができます。干渉計は、いくつかの実験ノイズの影響を軽減することができます。また、干渉計は、重力波によって引き起こされる微分効果を活用し、測定される効果を2倍に増幅します。

干渉計のミラーは、「凍結」されなければなりません。ミラーが動くと、干渉信号が変化するため、ミラーの位置と調整は、ナノ[[メートル]]の精度でリアルタイムに監視されます。検出器の感度が高いほど、最適な動作範囲は狭くなります。干渉計の動作範囲への到達と維持は、複雑な制御システムの課題です。

重力波検出器の最適な動作範囲は、ビームスプリッター上で再結合された2つのレーザー光を破壊的に干渉させる「ダークフリンジ」からわずかに調整された状態です。検出器の感度は、以下のように表されます。

1 / (L × √P)

ここで、Lはアームの長さ、Pはレーザー出力です。感度を向上させるためには、これらの量を増やす必要があります。

Virgo検出器のアームの長さは3 kmです。レーザー光路長をさらに長くするために、アームの入口に高反射ミラーを設置して、ファブリ・ペロー干渉計が形成されています。また、光を再利用し、装置内に蓄積するために、高反射ミラーが追加で設置されています。

装置

Virgo検出器は、上空から見ると、3 kmの長さの2本のアームを持つ「L」字型をしています。アームのトンネルには、レーザー光が超高真空下で移動する真空パイプが格納されています。アームにはファブリ・ペロー光共振器が設置されており、入口には「リサイクルミラー」が設置されています。

検出器の主なコンポーネントは次のとおりです。

レーザー：実験の光源。安定した周波数と振幅が必要です。ビームは増幅器を通して出力が100倍に増幅されます。Advanced Virgoでは、200Wの出力のレーザーを使用しています。レーザーの振幅、周波数、位置は、重力波信号に対する感度を向上させるために安定化されています。
ミラー：干渉計の重要な光学系。アームに光共振器を形成し、蓄積される光の出力を増加させることができます。ミラーは、最先端の技術で作られたオーダーメイドの部品で、直径35cm、厚さ20cmの円筒形をしています。ミラーは原子レベルまで研磨され、反射コーティングが施されています。アームの端にあるミラーは、入射した光をほぼ全て反射します。
サスペンションシステム：ミラーまでの地震ノイズを低減します。ミラーは一連の減衰器に取り付けられたガラス繊維によって吊り下げられています。このサスペンションのチェーンは「スーパーアッテネーター」と呼ばれ、高さが10m近くあり、真空下に設置されています。
真空システム：Virgoは、総体積6,800立方メートルの超高真空設備です。アームの残圧は大気の1兆分の1まで減圧されています。アームの端にはゲートバルブが設置されており、真空を破ることなく作業が可能です。

初期のVirgo検出器

初期のVirgo検出器は、2007年から2011年までデータ収集を行いました。2010年にはサスペンションシステムの大幅なアップグレードが行われ、鋼線は熱雑音を低減するためにガラス繊維に交換されました。2011年9月にシャットダウンされ、Advanced Virgoの設置が開始されました。

Advanced Virgo検出器

Advanced Virgoは、初期のVirgoの10倍の感度を目指しています。Advanced Virgoは、ミラータワーからの残留粒子をトラップするためにクライオトラップを設置し、干渉計の大部分をアップグレードしました。新しいミラーは大型化され、光学性能が向上しています。干渉計を制御するために使用される光学素子は、吊り下げられたベンチで真空下に設置されています。鏡面収差を補正するためのシステムも設置されています。最終的なAdvanced Virgoの構成では、レーザー出力は200 Wになります。

2017年には、Advanced Virgoのマイルストーンが達成され、LIGOとの最初の共同科学実験が開始されました。Virgoによる最初の重力波の検出はGW170814として知られています。2017年8月17日には、GW170817がLIGOとVirgoによって検出され、中性子星の合体現象を観測しました。Advanced Virgoは2019年4月から観測を開始し、さらなるアップグレードが予定されています。

もう一度検索