天文学は新時代へ→次はCAGRAの出番

2016年2月、「重力波の直接検出に成功した」というニュースが世界を駆け巡った。アインシュタインがその存在を予想してから約100年後のことだった

今回成功したのはアメリカを中心とする研究チームだったが、日本の重力波観測装置「KAGRA(かぐら)」が2017年度中に稼働する予定だ

重力波の観測によって、これからの天文学はどう変わり、私たちの宇宙観はどう変わるのだろうか。

前篇では、今回の重力波観測の舞台裏と、KAGRAの施設完成に至るまでの道のりを紹介する。後篇では、KAGRAの本格的な稼働に向けた課題と、未来の重力波天文学について紹介する。

■ なぜ研究者は重力波を追い求めるのか

最初に、重力波について簡単に理解しておこう。本記事を執筆するにあたり取材に応じてくれた、東京大学宇宙線研究所重力波推進室の川村静児教授も重力波検出の一報を聞いたときは「嬉しすぎてスキップしたくなるほど」だったという。

それほど研究者を魅了する重力波とは、一体何なのだろうか。

質量をもつ物体の周囲では、空間と時間(時空)がゆがむ。この時空のゆがみこそが重力であるとするのが、アインシュタインの一般相対性理論だ。重力によって時空がゆがむのではなく、時空のゆがみそのものを重力として感じるのである

そして、質量をもつ物体が移動すると、時空のゆがみが波として空間に伝わるとアインシュタインは提唱した。この現象が「重力波」だ

重力波は光速で伝わり、あらゆるものに邪魔されないという特徴をもつ

例えばブラックホールは、光速をもってしても逃げ切れないほどの重力場(質量によって時空が歪んだ、つまり重力がある状態)をもつので、光(可視光)を含む電磁波ではブラックホールを直接観測することはできない電磁波から分かるのは、周囲の様子だけだ

 もし、ブラックホール由来の重力波を観測できれば、ブラックホールの構造などがより詳細に分かると考えられている

また、宇宙が始まった直後は電磁波が直進できない環境だったために、電磁波を見ているうちは、宇宙誕生直後の様子は直接は分からない

ところが、宇宙が始まった直後の急膨張の期間に発生したと考えられている重力波を観測できれば、宇宙の初期の様子が分かると期待されている

このように、まったく新しい宇宙観を私たちにもたらすのが重力波の観測だ

■ 再稼働のわずか2日後に検出

重力波が存在することは約40年前に間接的に証明されていたが、直接とらえることができたと発表されたのが今年の2月だ。

重力波の直接検出に成功したのはアメリカを中心とする約1000人の研究チームで、レーザー干渉計型重力波観測施設(LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory、ライゴ)で観測された

記者会見で「われわれは重力波を検出した」の後に続いた「We did it!」というフレーズは印象的だった。

LIGOはワシントン州とルイジアナ州の2カ所にある離れた場所に同じ装置を作り、同じ信号を理論上の時間差を経てキャッチできれば重力波であると判断するためだ

LIGOは2005年から2010年まで、徐々に感度を上げながら断続的に観測を続けたが、このときは重力波を検出できなかった2010年から約5年間、大幅に検出感度を高めるための装置の入れ替えや調整を行い、2015年9月12日に再稼働重力波を検出したのは、そのわずか2日後のことだった

再稼働から2日後に検出というのは、偶然なのだろうか。それとも、重力波は意外と頻繁に地球に到来しているのだろうか

川村氏は、論文に掲載されたデータでは他に目立ったシグナルが少ないことを理由に、「比較的ラッキーなものだと思います」と話す。ただ、再稼働後に観測された4カ月分のデータを解析すれば、どれくらいの頻度で重力波を検出できるのかがより詳しく分かるという

なおLIGOでは重力波を検出したときに正しく判断できるか、「blind injection」と呼ばれる人工的に作られた重力波信号を観測データに忍び込ませる抜き打ちテストが行われている

実際、2010年9月16日には重力波データを検出し、論文として発表する準備までできていたが、半年後にblind injectionであると発表された経緯がある。

今回、最初に重力波を検出したという噂が流れたときも、多くの研究者はblind injectionを想定したと思われるが、実はそうではなかったと川村氏は言う

「当時はまだ試運転の期間でもあり、blind injectionのシステムが正しく動いていなかったそうです」。しかしなぜかLIGOの研究チームは、blind injectionの可能性も視野に入れて解析していたと記者会見で述べていた

このことについて川村氏がLIGO関係者に尋ねたところ、「誰かが悪意をもって重力波の偽造データを忍ばせたのではないということを徹底的に調べていました」という返事があった誰もとらえたことがない現象だからこそ、慎重に慎重を重ねてきた様子が伺える

■ KAGRAへの期待は、ノイズの低減

では、日本の重力波観測施設であるKAGRAについて紹介しよう。実はLIGOの記者会見で、読売新聞の記者が「KAGRAに何を期待するか」という質問を投げかけていた。

その回答は「地下にあり、低温環境に置かれていることで、地面の振動と熱によるノイズがおさえられ、優れた感度をもつと期待している」というものだった
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LIGOやKAGRAでは、レーザーを使って重力波、つまり時空のゆがみの変化をとらえる観測装置は「腕」とよばれる真空ダクトが直交する構造になっている。2本の腕にレーザーを同時に流すのだが、重力波を受けると時空のゆがみによって、2本のレーザーの進む距離が変わるレーザーが反射して戻ってきたときに距離の差を確認することで、重力波を検出する。腕の長さは、KAGRAでは3キロだ(LIGOは4キロ)

時空のゆがみはほんのわずかであり、地球と太陽との距離に対して水素原子1個分といわれている現在のGPSは数センチレベルの精度だが、重力波の検出ではその約100兆分の1の精度が要求される地面の振動や、熱による原子の振動すらも、重力波観測では無視できないノイズとなる

そこでKAGRAでは、振動の少ない地下(岐阜県飛騨市の神岡鉱山内)に建設され、レーザー光を反射する鏡をマイナス250℃以下に冷やすことで、重力波の検出感度を高めている

これらの技術は、いきなりKAGRAから導入されたわけではない。比較的長い腕を用いた観測技術は、東京都三鷹市にある重力波観測施設「TAMA300」で培われてきた

TAMA300は1995年に建設が開始され、腕の長さは300メートルレーザー装置の実証や、振動を抑えるシステムの開発などがTAMA300で行われてきた

また、鏡を低温に冷やす技術は、腕の長さが100メートルの低温型プロトタイプ「CLIO」で実証実験が行われてきた

これらの技術を組み合わせ、満を持して立ち上がったのがKAGRAプロジェクトだ。プロジェクトは東京大学宇宙線研究所、国立天文台、高エネルギー加速器研究機構(KEK)が中心となり、他にも多くの研究機関が参加している。

ところで、KAGRAという名称についてだが正式名称は「大型低温重力波望遠鏡」(LCGT: Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope)だ

作家の小川洋子さんが建設中の施設を見学したときに、ふさわしい名前をつけてほしいと呼びかけたことがきっかけで愛称が募集され、2012年1月にKAGRAという愛称に決まった

設置場所の神岡(Kamioka)と重力波(gravitational wave)を組み合わせたもの神に奉納される歌舞である神楽、神岡での成果を楽しみに待ちたい、などの意味が込められている

■ 水漏れ、発熱・・・予想外の連続

川村氏はKAGRAプロジェクトのサブプロジェクトマネージャーとして、KAGRAプロジェクトを取りまとめている。KAGRAの建設は予想外の出来事の連続だったという

例えば、2013年の12月ごろから地下水の漏れが目立つようになり、排水処理装置などを整備したために、KAGRAの建設計画が当初より半年ほど遅れてしまったという。
川村氏は「排水の流水量は、少ないときで1時間あたり500トン、雪解けの4月ごろが最も多くて1時間あたり2000トンに達します」と話す

また、地下空間では電気による発熱にも苦労しているという。特に、川村氏が担当するレーザー光源部は、わずかなほこりが付着するのも許されないため、クリーンルーム内で専用スーツを着て作業をする

地下では排熱が難しいため、「クリーンルーム内の室温は28℃にもなった」という。現在はフィルターを通したエアコンで室温を下げているが、それでも長袖を着ての作業は大変だろう。

こうして、施設としてのKAGRAが2015年10月に完成した。本格的な稼働に向けた現在の課題はどこにあるのだろうか。

(後篇へつづく)

島田 祥輔

JBpress 2016.03.23

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