重力波を捉えるための、日本独自・世界最先端のテクノロジー

2019年10月4日、岐阜県飛騨市にある神岡鉱山の跡地に、大型低温重力波望遠鏡「KAGRA(かぐら)」が完成した。KAGRAは「重力波」と呼ばれる時空のさざ波を捉えるための望遠鏡で、世界で4台目、アジア地域では初の重力波望遠鏡となる。

第1回では、重力波の特徴と、その観測の歴史について紹介した。第2回となる今回は、KAGRAに採用されている、重力波を捉えるための日本独自、そして世界最先端のテクノロジーについて紹介する。

• 2019年10月4日に行われた、大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」完成記念式典で挨拶する、東京大学宇宙線研究所長の梶田隆章氏

重力波を捉えるための日本独自のテクノロジー

KAGRAは、岐阜県飛騨市にある神岡鉱山の跡地に建設された重力波望遠鏡で、LIGOの2台とVIRGOに続く世界で4台目、アジア地域では初の重力波望遠鏡となる。計画は東京大学宇宙線研究所が中心となり、国立天文台、高エネルギー加速器研究機構(KEK)など、国内外あわせて60以上の大学・研究機関が協力している。

KAGRAという名前は、建設地である神岡(Kamioka)と、重力波(Gravitational wave)に由来しており、また神様を祭るときに奏する舞楽の「神楽」にもかかっている。

KAGRAがあるのは、岐阜県飛騨市にある旧神岡鉱山内の地下200mのところで、そこに総延長7697mのL字型のトンネルが掘られ、一辺が3kmのレーザー干渉計が設置されている。この3kmの中でレーザー光を行き来させ、いわば"溜める"ことで運転される。

• KAGRAの模型。一番左にある白い建物からレーザーが発射され、十字になっている部分でレーザーが分けられ、右側と上側へそれぞれ飛んでいく。そして鏡で反射を繰り返すなかで、重力波が通ると、検出できる

第1回で触れたように、重力波による時空の歪みは、太陽と地球の間が水素原子1個分だけ変化するくらいの非常に小さなものである。それを検出するためには、その検出にとって雑音となる、ありとあらゆる外乱を排除する必要がある。なかでも、とくに取り除くべきなのは、望遠鏡を地球上に設置する限り逃れられない「地面の振動」と、装置が熱を持つことに起因する「熱雑音」である。

そこでKAGRAは、地下深くに建設することで、地面の振動を極力なくすとともに、温度や湿度を安定した環境に保ち、雑音を減らすことを狙っている。とくにここの山は、飛騨片麻岩という非常に硬い岩質を含んでおり、振動の抑制に有利だという。実際、トンネル内の振動は地上の約100分の1にまで小さくなっている。

また、KAGRAは「大型"低温"重力波望遠鏡」と呼ばれているように、低温技術を活用していることが大きな特徴でもある。レーザー干渉計には、レーザーを反射させるための鏡があるが、その鏡の分子の熱運動も雑音になり、観測に悪影響が出てしまう。そこで、鏡をマイナス250℃まで冷却し、熱雑音を極力小さくしている。

さらに、その鏡の素材にはサファイアを採用。サファイアの単結晶は、冷やすことで熱運動を抑えることができ、そして熱伝導もよい(冷やしやすい)という特徴をもつ。KAGRAのサファイア鏡は直径22cm、厚さ15cm、重さ23kgで、高性能サファイア鏡としては世界最大を誇る。そして、この鏡を吊り下げるようにして設置する特殊な装置を使い、さらに振動を抑えている。

この鏡を、レーザー干渉計のなかの、L字型に伸びる2本の長さ3kmの腕それぞれの先端と根元に、合計4基設置している。

こうした、地下深くに建設している点、また低温技術やサファイア鏡を用いている点は、他国の重力波望遠鏡にはない日本独自の特徴である。とくに低温技術とサファイア鏡は、他国の重力波望遠鏡にとっても精度をさらに向上させるための技術として、大いに注目されているという。

• 地上とKAGRAをつなぐトンネル。この奥にKAGRAがある(通常は非公開)

建設の経緯とこれからの展望

KAGRAの計画の始まりは1990年代にまでさかのぼる。KAGRAの建設に先立って、国立天文台は1995年から、三鷹キャンパスの地下に「TAMA300」という重力波望遠鏡を建設。KAGRAの建設に向けた、必要な技術の開発、実証が行われた。その成果は、KAGRAの防振装置などに貢献している。

さらに、KAGRAのような、マイナス250度まで冷却したサファイア鏡を使った大型のレーザー干渉計は世界に例がなかったことから、東京大学宇宙線研究所などはその実現性を実証するため、神岡鉱山地下の別の場所に、試作機となる「CLIO」を建設。CLIOは一辺が100mのレーザー干渉計で、2006年から稼働し、鏡の冷却による熱雑音の低減を示すことに成功するなど、貴重なデータを集め続けた。

そして2010年に、KAGRAが予算化され、建設がスタート。2014年3月末にトンネル掘削が完了し、レーザー光源や真空ダクト、真空容器(クライオスタット)といった、レーザー干渉計のための装置の開発と設置が始まった。また、レーザー干渉計の制御とデータ収集を行うための「干渉計制御・データ収集棟」が、、飛騨市神岡町北部会館を改装するなどして整備、建設された。なお、データのストレージは千葉県柏市に置かれている。

2015年10月27日には、第一期実験施設がほぼ完成。その後、予備運転を経て、2016年3月には試験運転が行われた。

そして、それを受けてさらに開発や調整などが行われ、建設開始から9年が経った、この10月4日をもってついに完成となった。

完成とはいっても、すぐに重力波の観測ができるわけではない。現時点でもまだ、KAGRAには数多くの雑音があり、それを見つけて取り除く地道な作業が必要になる。今年中には、重力波の検出に必要な最低限の感度に到達する予定で、そこから試験的な観測を行いつつ、さらに雑音を取り除き、精度を上げていく作業が延々と続く。

KAGRAはこれから20年以上にわたって観測が続けられることになっている。また今年末以降、LIGOやVIRGOとは常に共同観測を行う。KAGRAが現時点でのLIGOやVIRGOとほぼ同じ感度に達するのは2021年末ごろになる予定だが、感度が最低限の状態でも、LIGOやVIRGOとの共同観測で、ある程度の成果は見込めるという。

• 完成し、運転を開始したKAGRA

(次回に続く)

出典

・真貝 寿明. ブラックホール・膨張宇宙・重力波 一般相対性理論の100年と展開. 光文社, 2015, 340p.
・安東 正樹. 重力波とはなにか 「時空のさざなみ」が拓く新たな宇宙論. 講談社, 2016, 320p.
・TAMA300 干渉計
・重力波研究の歴史 << KAGRA 大型低温重力波望遠鏡
・よくある質問 << KAGRA 大型低温重力波望遠