重力波検出器が光を圧縮してより多くのブラックホールを発見

レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) などの重力波観測所は、極めて高い感度の実験です。LIGO の 2 つの実験用の耳 (1 つはルイジアナ州、もう 1 つはワシントン州) は、ブラックホールや中性子星などの物体が残した時空のさざ波を聞き取ります。これを行うために、LIGO は数マイルに及ぶレーザー光線の微細な変動を注意深く監視します。課題は、ゴロゴロと音を立てるトラクターから天候、量子ノイズまで、あらゆるものが独自の妨害を引き起こす可能性があることです。重力波観測の大部分は、不要なノイズを除去する科学です。

一連のアップグレードを経て、現在、LIGO の両耳は、これまでよりも 60 パーセント多くのイベントを聞き取ることができるようになりました。その功績の大部分は、文字通り光を圧縮することで、ほとんど知覚できない量子ノイズを補正するシステムによるものです。

物理学者やエンジニアは数十年にわたって研究室で光圧縮に取り組んでおり、その成果は現実のものとなっている。「これはもはやデモンストレーションではありません」とカリフォルニア工科大学の物理学者リー・マッカラー氏は言う。「実際に使用しているのです」。マッカラー氏と彼の同僚は、10月30日にフィジカル・レビューX誌に研究成果を発表する予定だ。

重力波は、一般相対性理論で予測されているように、重力の仕組みに関する奇妙な好奇心です。落下する岩が水面に波紋を生むように、2 つのブラックホールや 2 つの中性子星の合体など、十分に壮大な出来事は時空構造に波を投げかけます。これらの重力波を聞くことで、天文学者はブラックホールや中性子星などの、通常ははっきりと見ることが難しい巨大な物体を覗くことができます。科学者がこれを実現できるのは、LIGO などの装置のおかげです。

LIGO の耳は非常に大きな L 字型で、その腕の長さはちょうど 4 キロメートル (2.49 マイル) です。2 つに分かれたレーザー ビームは、それぞれの腕を伝わります。これらのビームは、遠端のミラーで反射し、頂点に戻ってきて、1 つのビームに再結合されます。時空のわずかな変化 (重力波) によって、いずれかの腕が微妙に伸縮し、再結合したビームの光にパターンが刻まれます。

長さの変化は極めて微妙で、肉眼で見ることは夢にも思わないほど小さい。LIGO 検出器は地震、天候、人間の活動の影響を受けやすく、これらはすべてミラーを揺らしたりレーザー ビームを揺らしたりするノイズを発生させるため、このようなわずかな変化を検出する作業はさらに困難になる。

物理学者たちは、こうしたノイズをすべて排除する方法を開発した。音波を防ぐために、アームを他の物質のない真空状態に保つことができる。振動から隔離するために鏡を吊るすこともできる。外界のノイズを測定し、それに応じて機器を調整することもできる。たとえば、非常に大きなノイズキャンセリングヘッドセットなどだ。

しかし、これらの方法では量子物理学を除外できない。完全な真空であっても、宇宙の最小スケールにおける固有のランダム性、つまり粒子が突然現れたり消えたりする性質は、影響を及ぼしている。「測定レベルでは、微弱な重力波信号を隠すことができる自然な変動があります」と、カーディフ大学の天体物理学者で、LIGO-Virgo 共同研究のメンバーであり、今回の研究の著者ではないパトリック・サットンは言う。

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LIGOは2016年に史上初の重力波を観測した。同時期に、LIGOの運用者たちは量子擾乱を除去する方法を考えていた。物理学者は光を結晶の中に閉じ込めて「圧縮」することで光を操作することができる。彼らは2019年に始まった観測所の3回目の検出に間に合うように、そのような結晶をLIGOの2つの検出器に取り付けた。

このアップグレードにより、LIGO はより高い周波数のレーザー光を扱えるようになりました。しかし、このように光を圧縮すると、低周波数の光を読み取るのが難しくなるという代償がありました。これは問題です。なぜなら、ブラックホールの合体など、私たちが検出できるイベントからの重力波は、LIGO でかなりの低周波数の光を生成する傾向があるからです。

そこで、2020年半ばにCOVID-19の影響でLIGOが閉鎖を余儀なくされた後、運営者はスクイージング装置に新しいチャンバーを追加しました。このチャンバーはより適応的なアプローチを可能にし、異なる周波数の光の異なる特性を操作します。これを行うには、チャンバーは3ミリ秒間光を閉じ込める必要があります。これは光が数百マイル移動するのに十分な時間です。チャンバーは、今年初めにLIGOの4回目の現在の観測ランが開始されたときに稼働を開始しました。

「このアップグレードが目的を果たし、圧迫感を改善しながらも新たなノイズを発生させないようにするには、多大なエンジニアリングと設計の作業と慎重な検討が必要でした」とマッカラー氏は言う。

LIGO の検出器は両方とも、宇宙のさらに奥から、より広い範囲の宇宙から重力波を捉えることができるようになりました。サットン氏によると、LIGO では現在、約 60 ～ 70 パーセント多くの事象を捉えています。感度の向上により、天文学者は重力波を非常に高い精度で測定できるようになり、一般相対性理論をテストできるようになりました。「これは大きな飛躍です」とサットン氏は言います。

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LIGO のヨーロッパの仲間の検出器である Virgo は、科学者自身の研究に基づいて、同じ周波数依存の圧縮を実装しています。「私たちは現在、これよりも改善できる他の技術を知りません」と McCuller 氏は言います。「新しい技術に関して言えば、これは現時点で実際に使用できる最良のものです。」

これまで観測された重力波現象はすべて、2 つのブラックホールまたは 2 つの中性子星の出現によって発生したもので、同様に激しい飛沫を残す、騒々しく激しい現象です。しかし、重力波観測者は、重力波を利用して、超新星、ガンマ線バースト、パルサーなどの他の現象も観測したいと考えています。まだそこまでには至っていませんが、スクイーズにより、現在あるハードウェアを最大限に活用することで、さらに近づくことができるかもしれません。

「ここで重要なのは、検出器の感度をさらに高め、ノイズをどんどん下げていき、最終的には何かが見えるようになることです」とサットン氏は言う。「その時はとてもエキサイティングな日になると思います。」