重力波が見つかる場所: BICEP2 の舞台裏

天文観測装置BICEP2は、ビッグバンから1兆分の1秒後の宇宙の様子を説明しようとするインフレーション理論を裏付ける証拠を探すために2009年に南極に配備された。

なぜ南極なのか？それは、そこの空が最もきれいで澄んでいるからです。人工の光や電波による汚染がなく、大気中の水蒸気も最小限です。これらの水蒸気は、この機器が記録するために開発された信号を吸収します。観測の対象となる空の領域は、銀河からの汚染マイクロ波放射が特に少なく、常に地平線より上にあることが知られています。

3月17日、世界中のニュースの見出しは、BICEP2が今年最大の科学的発見をしたと称賛しました。それでは、この歴史的なプロジェクトに携わったのはどんな感じだったのでしょうか?

ペンギンが近寄らない場所

BICEP2 は、パサデナのカリフォルニア工科大学 (Caltech) で設計および構築されました。チームは故アンドリュー・ランゲ氏によって編成され、その後コヴァック氏 (現在はハーバード大学)、Caltech のジェイミー・ボック氏、スタンフォード大学のチャオリン・クオ氏、ミネソタ大学のクレム・プライク氏が指揮を執りました。私は 2007 年にカーディフ大学から派遣され、機器開発科学者として BICEP2 チームに加わりました。2009 年の秋、3 人の BICEP2 冒険仲間 (シーズンが進むにつれて他のメンバーも加わりました) とともに、私たちは太陽が降り注ぐ南カリフォルニアからアムンゼン・スコット南極点基地へと出発しました。

_望遠鏡の筒を下ろす前に、受信機とカメラインサートの位置を合わせます。Rashmi Sudiwala_

私たちはまずニュージーランドに飛び、極寒の天候に対応する服装を準備しました。その後、ロス島のマクマード基地に立ち寄り、南極に向かいました。飛行機から降りると、マイナス 50 度の空気が目と肺を刺しました。駐機場から基地までの短い距離を歩くだけで息が切れました。標高は海抜 10,000 フィートです。BICEP2 望遠鏡の場所は基地からわずか 4 分の 1 マイルのところでしたが、最初の数回はハイキングの方がずっと長く感じました。

南極に来たのは2度目です。前のシーズンに、オリジナルのBICEPの廃止を手伝うために短期間訪れたことがあります。その経験とBICEP2に関する深い知識が相まって、私は最初の1週間、チームリーダーを務めました。チームにリーダーが必要だったわけではありません。プロジェクトを成功させたいという全員の願いが、断然最大の動機でした。

科学への愛のために

機器をサービスに備えるには、実行すべき作業が数多くありました。既製の、事前に調整された機械を単に配備するという選択肢はありませんでした。望遠鏡のシェル、カメラ チューブ、光学系、冷却システム、ケーブル (非常に多くのケーブル)、そして最も重要な検出器を準備し、組み立て、現場で調整する必要があり、制御ソフトウェアを作成または調整する必要がありました。さらに、実際に配備したい検出器アセンブリは、パサデナのテスト システムでまだテスト中でした。

私たちの最初の仕事は、天文台を準備し、望遠鏡の架台の摩耗や損傷をチェックすることでした。極地の冬は厳しいものです。ほうき、掃除機、雪かきスコップなど、全員で協力しました。雪かきは確かに心臓がドキドキします。標高の高いところに慣れるまでのんびりしていたつもりでしたが、まったくそんなことはありません！

その後数日から数週間にかけて、BICEP2 機器となるものが入った箱が到着し、チームのメンバーも増えました。作業量は膨大で、スケジュールは厳しく、時間は刻々と過ぎていきました。

私たちはお互いの長所を生かしました。チームの専門家と基地のスタッフが、いつでもどこでも何でも協力しました。物理学者として訓練を受け、機器科学者およびシステム エンジニアとして雇用された私のスキルは、より一般的でした。特に、極低温 (非常に冷たいものの取り扱い)、電子工学、および制御システムの専門知識がありました。南極では、ケーブルを作ったり、ケーブルを配線したり、ケーブルをテストしたりしただけのようでした。ケーブルを配線するには、博士号を何人必要とするでしょうか。5 人、またはそれ以上です。

_カリフォルニア工科大学のチーム。ラシュミ・スディワラ_

2009 年 12 月 13 日、BICEP2 装置は作動可能になりました。パサデナで 2 年間かけて磨き上げられた手順が、ここでわずか 3 週間で実行されました。12 月 16 日までにシステムが完全に冷え、実験を開始できるようになりました。初期チェックの後、最初の測定、つまり初光を行うことができました。

機器が機能することに大きな疑問はなかった。私たち全員が十分な準備をしていたからだ。しかし、私にとっては懸念事項があった。BICEP2 の検出器は、私たちが到達できる最低温度に近い温度で動作する。これを実現するために、私たちは液体ヘリウムよりも冷たい冷蔵庫を使用している。パサデナにいた頃、私たちはこの冷蔵庫の稼働に大きな問題を抱えていたが、長い夜を何晩も過ごした後、私は有望そうな解決策を偶然見つけた。南極で少し調整したところ、冷蔵庫は 85 時間その温度を維持した。

極地のユーモア

ユーモアのセンスがあると役に立ちますが、ユーモアが逆効果になることもありました。たとえば、同僚の飛行機が基地の上空を数時間旋回せざるを得ず、マクマード基地に引き返したときなどです (朝食会のメモには「…アンジオラはまだ上空を旋回中」と記録されています)。健康は最重要課題であり、この年は豚インフルエンザが大流行した年でした。私は忠実に予防接種を受けましたが、想像を絶するほどひどい痛みと熱に襲われました。4、5日後、意識がもうろうとし、体調も悪かったのですが、なんとかギャレーまで這って行き、食事をとりました。周りの人たちはそれを面白がっていました。

仕事ばかりではありませんでした。基地には、本格的なスポーツジムや音楽室などのレクリエーション施設があります。基地のスタッフや他の実験に参加した科学者の中には、才能豊かな人材がたくさんいました。写真からフラメンコダンスまで、あらゆる即席のクラスに参加することになるかもしれません。南極では、アイスキューブ、南極望遠鏡、気象学、長期宇宙ミッションのための自給自足実験など、他の実験も行われています。誰もが、一般公開日やセミナーで、見せたり話したりすることを好みました。私にとってのハイライトは、BBC の Frozen Planet ドキュメンタリーを撮影している映画クルーの講演でした。デイビッド・アッテンボロー卿に会えたことに、とても興奮しました。

1 月中旬までに、ほとんどのシステムが完成しました。テストと調整の面でまだやるべきことがたくさんありましたが、1 月 18 日は出発の時でした。昼食後、男性は毅然とした態度で男らしい握手を、女性は温かい抱擁を交わし、私の極地での冒険はこれで終わりました。

私たちの労働の成果

私の役割は、機器を組み立て、テストし、配備することだと最初からわかっていました。2009 年 12 月に最初の光データを見たときは興奮しました。しかし、私は理論家でもデータ アナリストでもありません。BICEP2 のメーリング リストに残り、データが蓄積されるにつれて遠くからプログラムと連絡を取り続けました。データ解析は最初から開始され、統計ノイズが平均化されるまで長い間待ちました。新しい問題に遭遇して解決するたびにチームの気分が上がったり下がったりすることは、電子メールのやり取りから判断できました。

_ラシュミ・スディワラ_

BICEP2 データ分析チームは小規模で、口が堅いグループです。BICEP2 による原始重力波検出の可能性についての話があったことは 1 年ほど前に知っていましたが、ハーバード大学の広報室から間もなく発表されるというニュースにはまったく驚きました。

最も過酷な環境に設置された、この適度な大きさの機械が、宇宙の最も遠い場所やビッグバン後のほんの一瞬の微弱な信号まで抽出できるほどの感度と精密な特性を持っていたと考えると、驚きです。この信号自体が、宇宙の誕生を説明する最もクレイジーな科学理論の 1 つとも言えるインフレーションの説得力のある証拠であるというのは、驚くべきことです。そして、間違いなく、今後さらなる新発見があるでしょう。

このプログラムに参加することを許可してくださった故アンドリュー・ランゲ氏、ジョン・コヴァック氏、BICEP2 チーム、このプログラムに資金を提供してくださった NFS、USAP、JPL、カリフォルニア工科大学、ムーア財団、ケック財団、そして休暇を許可してくださったピーター・エイド氏とカーディフ大学に感謝します。

この記事はもともと The Conversation に掲載されました。元の記事を読む。