重力波の直接観測

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山口大学理学部白石清

§1. 重力とは何か

§2. 重力波とは何か

§3. 重力波の検出

§4. 今回の発見

§5. 重力波天文学の将来

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2016 年 2 月 12 日 00：30(日本時間)、アメリカの aLIGO は 連星ブラックホール (太陽質量の約 36 倍と約 29 倍) からの重力波を

2015 年 9 月 14 日 (日本時間 18：50：45、0.2 秒間) に検出した、と発表。

論文１２報、著者 1000 名以上。

このイベントを GW150914 と命名。

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連星ブラックホールのイメージ

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ニュートン リンゴから惑星の運動 (ケプラーの法則) まで説明 万有引力の法則 1687 年

EMAN さんのサイトより

重力は瞬時に伝わる？

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アインシュタイン (1879-1955)

瞬時に伝わる力は， 特殊相対性理論 (1905) と矛盾 (速さが光速を超えるものはない)

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弱重力、低速運動ではニュートンと一致 (重力は時空のゆがみ )

等価原理、潮汐力が本質

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GPS(補正しないと誤差 11 ㎞／1 日)

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中性子星

半径 10 ㎞程度、上限質量太陽質量の約 3.2 倍太陽質量の 8〜40 倍の星の終着点

パルサー発見 1967 年、ベル (LGM1)

ノーベル賞 1974 年ヒューイッシュ (同年ライル)

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超新星爆発

約８太陽質量以上の星の終着点

太陽が一生のうち生み出すエネルギーと同等の量を数日のうちに放出

かに星雲パルサー、1054 年超新星爆発 SN1987A

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ブラックホール

X 線天体

(銀河系の中心には 420 万太陽質量のブラックホール) 半径は質量に比例

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§2. 重力波とは何か

電磁気力電磁場電磁波 (＝光) マクスウェル予言、ヘルツ実験検証 (24 年後)

電荷の加速により生じる

重力 (相対論的) 重力場重力波 (時空の漣) 質量の加速により生じる

1916

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光速、横波

波はエネルギーを運ぶ 2 つの「偏光」モード

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重力波の発生

100 ㎏の質量を 1m の棒の両端につけて毎秒 1000 回回転させる

⇒10⁻⁴⁰

1 トンの質量を 2m の棒の両端につけて毎秒 1000 回回転させる

⇒10⁻³⁸

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ハルス、テイラー

^(米)

1974 年連星中性子星パルサー(PSR1913+16) からの重力波放出 (太陽質量程度、周期 9 時間弱)

エネルギー放出により、軌道運動周期が減少 1993 年ノーベル賞

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§3. 重力波の観測ウェーバー

^{1960 年代}

1.5 トンアルミ円筒 (1.5m) 共振型圧電気により検知

1969 年検出発表 (立証されず)

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(マイケルソン・モーレー干渉計)

直交する 2 本の腕光 100 往復

雑音 (高周波量子ノイズ、中周波熱振動、低周波地面振動)

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TAMA300 (日) 腕の長さ 300m 東京・三鷹

1995 年試運転 2002 年から 3 年間

LIGO 2000 年試運転開始 2005 年から観測

GEO600 (英・独) 腕 600m ドイツ・ハノーバー

Virgo (仏・伊) 腕 3 ㎞イタリア・ピサ

2007 年から観測

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＊

aLIGO

(advanced Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) ^{2015 年 9 月} 二つの検出器

それぞれ腕の長さ 4 ㎞のレーザー干渉計重力波の方向は一点には決まらない

Washington Louisiana

(砂漠！) ←約 3000 ㎞ (光速で 10 マイクロ秒) → (ジャングル！)

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100Hz 付近の感度が高い

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＊

KAGRA

^{(2009 年)} ^{腕 3 ㎞}

岐阜・神岡地下、低温鏡

iKAGRA 2010 年から建設 2016 年 3 月試運転：bKAGRA 2017 年本格稼働 (サファイア鏡) (東大宇宙線研究所・所長梶田隆章氏)

＊aVirgo

＊LIGO India

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§4. 今回の発見

2015 年 9 月 14 日 09：50：45(世界時) 正式な観測期間の前 advanced LIGO (aLIGO) (アメリカ) (11 億ドル！？＋2 億ドル upgrade?)

リビングストン→(7 ミリ秒)→ハンフォード

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ノイズの可能性 20 万年に 1 回以下、ノイズである確率２・１０^−７、有意さ 5.1 σ (原子核の 1000 分の 1 以下の精度) (インジェクション偽信号、予行演習・訓練？)

なお、LIGO は 8 月頃までお休み

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重力波の振動数 35Hz〜150Hz 毎秒 75 回 350 ㎞ 0.6 ｃ連星の公転→リングダウン 250Hz (帯域 35〜350Hz) シミュレーション (テンプレート) と一致最大振幅１０^−２１ノイズ１０^−１８

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３６太陽質量 (直径 220 ㎞)＋２９太陽質量 (直径 170 ㎞、関東平野が入る)

→６２太陽質量 (直径 370 ㎞、九州が入る) ３太陽質量分が重力波のエネルギー/0.03 秒 (ガンマ線バーストより激しい)

角運動量０．６７

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２台の観測ではここまでしかわからない

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＊今回の発見の意義＊

・初めて重力波の存在を直接確認できた。

・連星ブラックホールの存在を初めて確認した。

・ブラックホールの準固有振動 (？) リングダウンミリ秒で減衰

・(一般相対論の検証。重力子の質量＜1.2×10 ⁻²²eV)

・種族 III の星の存在確認 (？)

(重元素が多い⇒たくさんの吸収線⇒放射を吸収⇒星の放射で質量放出⇒星の質量が小さくなりすぎる)

・ガンマ線バーストの一つの源 (？)

Fermi 衛星 0.4〜1 秒後にガンマ線バースト 50keV 以上 (Short GRB!?)

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1 つの銀河では 10 万年から 100 万年に 1 回半径 3 億光年の球の中には 10 万個の銀河 aLIGO 今後 100 倍見つかる年 1000 個？

方向確定のためには 3 つ以上の同時観測

他の観測 (電磁波、ニュートリノ (？)) との同時観測が大事 マルチメッセンジャー

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＊ET (Einstein Telescope)

腕の長さ 10 ㎞、低温鏡、正三角形 10 億ユーロ？

aLIGO の 10 万倍の数見つかる

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DECIGO

宇宙空間 (太陽を公転)、正三角形 5 ケタ上の精度

「新しい望遠鏡ができるたび新たな発見！」

シミュレーションスーパーコンピュータ

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§6. 参考文献

田越秀行、中村卓史日本物理学会誌 71(2016)210 真貝寿明重力波の解説メモ (統合版)

中道晶香ついに発見！重力波月刊星ナビ 2016 年 5 月号 p.50 日経サイエンス 2016 年 5 月号大特集重力波

重力波の直接観測 - Seikyou