新型重力波望遠鏡「KAGRA」は、低ノイズの「Mephisto

挑戦

日本の神岡にある大型低温重力波望遠鏡（KAGRA）は、2020年に運用を開始した最新の重力波観測所です。LIGOやVirgoと同様、KAGRAもレーザーを用いたマイケルソン型干渉計を基盤としています。 重力波がこの観測地点を通過すると、2本の干渉計アームの長さに微小な変化が生じます。KAGRAのアーム長は3キロメートルですが、大きな重力波であっても、その長さの変化はプロトンの直径の1000分の1未満、^{すなわち10⁻¹⁹メートル}程度にとどまります。そのため、これらの重力波を検出するには、信号対雑音比の向上が大きな課題となっています。

ソリューション

KAGRAは、地下に設置された世界初の大型重力波望遠鏡であり、この設計により、地盤の振動や重力勾配によるノイズの影響を低減することができます。また、熱ノイズを抑制するために低温（20 K）で動作する世界初の装置でもあります。そのため、これらの鏡にはサファイアを使用する必要があります。サファイアは、このような低温条件下でも熱伝導率が高く、1064 nmのレーザー波長に対して高い透過率を持つからです。

Mephistoレーザー発振器として採用された理由は、LIGOやVirgoでこのレーザーが使用されている理由と同じです。すなわち、これは振幅・周波数のいずれの面においても、レーザー業界でこれまでに認められた中で最も低ノイズなレーザーだからです。 これは、単一結晶がレーザー共振器全体を形成する非平面リング発振器（NPRO）を基盤としているためであり、本質的に安定した性能を提供します。この性能は、特別に設計された電子デバイスを使用することでさらに向上しています。その後、Mephisto nm出力は、固体増幅器によって60ワットの電力まで増幅され、位相および振幅ノイズがさらに抑制されます。 その結果、干渉計アーム内の循環電力レベルは約 0.4 メガワットとなります。

KAGRAは東京工業大学が運営しており、LIGOやVirgoと連携して、より高精度なデータや方位情報を提供しています。

成果

KAGRAが設計上の感度に達すれば、数多くの重力波事象を観測できるようになるでしょう。エンジニアや科学者たちは、すでにこれらの干渉計の性能をさらに向上させる方法を研究しています――その性能はもともと信じられないほど高いのですが！この研究の一部は、KAGRAに所属する東京工業大学の研究室で行われています。 ここでは、相宮健太郎教授とその同僚たちがノイズ低減の研究に取り組んでいます。相宮教授は次のように説明しています。「KAGRAの熱ノイズが低減されたため、近い将来、データは主にレーザーシステム内の量子ノイズによって制限されることになるでしょう。いわゆる量子ノイズとは、量子物理学の限界において生じる、レーザーの振幅と位相の不確実性を指します。 私たちは、この量子ノイズを低減するためのいくつかの新しい手法を開発している。Mephisto なければ、この研究は成し遂げられなかっただろう。」彼らの目標は、KAGRA+やその他の次世代重力波望遠鏡でこれらの技術を活用することだ。 ソミヤ教授は、まずドイツの600m重力波検出器GEO-HFにこの最先端技術を適用し、kHz帯域での感度を向上させることで、中性子星合体によって生じる時空の波紋の明確な痕跡を観測することを計画している。

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