100年以上を経て、天文学者たちはついにアインシュタインの最もワイルドな理論を明確に理解したLIGO がついに戻ってきました - そしてそれはこれまで以上に良くなりました。チャド・ハンナ

3年間の中断を経て、米国の科学者らは、重力波（宇宙全体を伝わる空間自体の小さな波紋）を測定できる検出器の電源を入れたところだ。

光波とは異なり、重力波は、宇宙を満たす銀河、星、ガス、塵の影響をほとんど受けません。これは、重力波を測定することで、私のような天体物理学者が、宇宙で最も壮観な現象の中心を直接覗くことができることを意味します。

2020 年以来、一般にLIGOとして知られるレーザー干渉重力波天文台は、いくつかのエキサイティングなアップグレードを行っている間、休止状態にありました。これらの改善により、 LIGO の感度が大幅に向上し、時空に小さな波紋を生み出す、より遠くにある天体を観測できるようになります。

重力波を生み出す事象をより多く検出することで、天文学者が同じ事象によって生成される光を観測する機会も増えるでしょう。複数の情報チャネルを通じて事象を観察するマルチメッセンジャー天文学と呼ばれるアプローチは、実験室での実験の領域をはるかに超えた物理学について学ぶ貴重で切望される機会を天文学者に提供します。

時空の波紋

アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量とエネルギーは空間と時間の形状を歪めます。時空の曲がりは、物体が相互にどのように移動するか、つまり人々が重力としてどのように感じるかを決定します。

重力波は、ブラック ホールや中性子星などの巨大な物体が互いに融合するときに発生し、空間に突然の大きな変化を引き起こします。空間の歪みと屈曲のプロセスは、静かな池を横切る波のように宇宙全体に波紋を送ります。これらの波は外乱からあらゆる方向に伝わり、その際に空間を細かく曲げ、途中にある物体間の距離をわずかに変化させます。

重力波を生み出す天文現象には宇宙で最も巨大な物体が関係していますが、空間の伸縮は無限に小さいものです。天の川銀河を通過する強力な重力波は、銀河全体の直径を 3 フィート (1 メートル) 変えるだけかもしれません。

最初の重力波観測

1916 年にアインシュタインによって初めて予言されましたが、当時の科学者たちは、重力波の理論によって仮定された距離の小さな変化を測定するという希望をほとんど持っていませんでした。

2000 年頃、カリフォルニア工科大学、マサチューセッツ工科大学、および世界中の他の大学の科学者たちは、本質的にこれまでに構築された中で最も正確な定規であるLIGO 天文台の建設を完了しました。

ワシントン州ハンフォードにある LIGO 検出器は、レーザーを使用して重力波によって引き起こされる空間の微小な伸縮を測定します。 LIGO研究所

LIGO は 2 つの別々の天文台で構成されており、1 つはワシントン州ハンフォードに、もう 1 つはルイジアナ州リビングストンにあります。各展望台は、施設の中心から互いに 90 度で延びる長さ 2.5 マイル (長さ 4 キロメートル) の 2 本のアームを備えた巨大な L 字型をしています。

重力波を測定するために、研究者は施設の中心から L の底部までレーザーを照射します。そこでレーザーは分割され、ビームが各アームを伝い、鏡で反射して底部に戻ります。レーザーが照射されている間に重力波がアームを通過すると、2 つのビームはわずかに異なるタイミングで中心に戻ります。この差を測定することで、物理学者は重力波が施設を通過したことを識別できます。

LIGOは2000年代初頭に運用を開始したが、重力波を検出できるほどの感度はなかった。そこで 2010 年に、LIGO チームは感度を高めるためのアップグレードを行うために施設を一時的に停止しました。アップグレードされたバージョンの LIGO は2015 年にデータ収集を開始し、ほぼ即座に 2 つのブラック ホールの合体から生成される重力波を検出しました。

2015 年以来、LIGO は 3 回の観測を完了しました。最初の実行 O1 は約 4 か月続きました。2 番目は O2、約 9 か月。3 つ目の O3 は、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより施設が閉鎖されるまで 11 か月間運営されました。Run O2を皮切りに、LIGOはイタリアのVirgo天文台と共同観測を行っています。

各実験の合間に、科学者は検出器の物理コンポーネントとデータ分析方法を改良しました。2020年3月のランO3の終了までに、LIGOとVirgoの共同研究の研究者らは、ブラックホールと中性子星の合体から生じる約90の重力波を検出した。

天文台はまだ設計上の最大感度に達していません。そのため、2020 年に両天文台は改修のため再び閉鎖されました。

機械装置とデータ処理アルゴリズムのアップグレードにより、LIGO は以前よりも微弱な重力波を検出できるようになるはずです。 LIGO/カリフォルニア工科大学/MIT/ジェフ・キッセル

いくつかのアップグレードを行う

科学者は多くの技術的改良に取り組んできました。

特に有望なアップグレードの 1 つは、スクイーズと呼ばれる技術を改善するために1,000 フィート (300 メートル) の光キャビティを追加することでした。スクイージングにより、科学者は光の量子特性を利用して検出器のノイズを低減できます。このアップグレードにより、LIGO チームは以前よりもはるかに弱い重力波を検出できるようになるはずです。

私のチームメイトと私はLIGO コラボレーションのデータ サイエンティストであり、LIGO データの処理に使用されるソフトウェアと、そのデータ内の重力波の兆候を認識するアルゴリズムのさまざまなアップグレードに取り組んできました。これらのアルゴリズムは、何百万もの起こり得るブラック ホールと中性子星の合体現象の理論モデルと一致するパターンを検索することによって機能します。

改良されたアルゴリズムでは、以前のバージョンのアルゴリズムよりも、データ内の背景ノイズから重力波のかすかな兆候をより簡単に検出できるようになります。

天文学者は、2 つの中性子星の合体という 1 つの出来事によって生成される重力波と光の両方を捉えました。右上の挿入図では、数日間にわたる光の変化が見られます。 ハッブル宇宙望遠鏡、NASA、ESA

天文学のハイデフ時代

2023 年 5 月初旬、LIGO はすべてが機能していることを確認するために、エンジニアリング実行と呼ばれる短期間のテスト実行を開始しました。5 月 18 日、LIGO は、ブラック ホールと合体する中性子星によって生成されたと思われる重力波を検出しました。

LIGOの20か月にわたる観測計画04は5月24日に正式に開始され、その後、おとめ座と日本の新しい天文台である神岡重力波検出器（KAGRA）も参加する予定だ。

この実験には多くの科学的目標がありますが、リアルタイムでの重力波の検出と位置特定に特に重点が置かれています。もしチームが重力波現象を特定し、重力波がどこから来たのかを解明し、これらの発見を他の天文学者に迅速に知らせることができれば、天文学者は可視光、電波、またはその他の種類のデータを収集する他の望遠鏡をその場所に向けることができるでしょう。重力波の発生源。

単一のイベントに関する複数のチャネルの情報を収集すること (マルチメッセンジャー天体物理学) は、白黒の無声映画に色と音を追加するようなものであり、天体物理現象をより深く理解できるようになります。

天文学者はこれまでに、重力波と可視光の両方で単一の現象、つまり2017 年に見られた 2 つの中性子星の合体を観測しただけです。しかし、この単一の出来事から、物理学者は宇宙の膨張を研究し、ガンマ線バーストとして知られる宇宙の最もエネルギー的な出来事のいくつかの起源を確認することができました。

O4 の実行により、天文学者は史上最も高感度の重力波観測所にアクセスできるようになり、これまでよりも多くのデータが収集されることが期待されます。同僚と私は、今後数か月間で 1 つ、あるいはおそらく多数のマルチメッセンジャー観測が行われ、現代の天体物理学の限界を押し広げることを期待しています。

（リンク先：https://www.inverse.com/science/ligo-upgrade-gravitational-waves）