2 月 20 日、イタリアのピサ近郊にあるヨーロッパ有数の重力波検出器である乙女座に高官が降り立ち、5 年間にわたる 2,400 万ユーロのアップグレードを祝う献堂式が行われます。しかし、威風堂々としたことは、来月開始される予定だった重力波源の捜索において、乙女座が米国のカウンターパートであるレーザー干渉計重力波天文台（LIGO）に参加することを妨げる可能性が高いしつこい問題を裏切るでしょう。長さ 3 km の天文台の足を引っ張っているのは、厚さわずか 0.4 mm のガラス糸で、予想外に壊れやすいことがわかっています。ドイツのハノーバーにあるマックス プランク重力物理学研究所所長の LIGO チーム メンバーである Bruce Allen 氏は、1 年続く可能性のある遅延は「誰にとっても非常に苛立たしい」と述べています。
1 年前、LIGO は、アルバート アインシュタインが 1 世紀前に行った予測を確認しました。2 つのブラック ホールの合体のような暴力的な宇宙イベントは、時空の構造を引き裂き、さざなみを発します。しかし、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードにある 2 つの機器を持つ LIGO では、波の発生源を特定することができません。ソースの三角測量には、3 番目の検出器である乙女座が必要です。
検出器はすべて、干渉計と呼ばれる光学装置に依存しています。2 本の直線状のアームは、長さが数キロメートルあり、直角に配置されています。各アームの内部では、レーザー ビームが真空管の両端にあるミラーの間を往復し、オルガン パイプの音のように共鳴します。レーザー光は、2 つのアームが交わる場所で結合され、一方のレーザー波のピークが他方の谷と出会い、互いに打ち消し合います。しかし、重力波などによって空間が引き伸ばされ、2 つの腕の長さが異なる量だけ変化すると、波は一致しなくなり、相殺は不完全になります。一部の光は、ダーク ポートと呼ばれる出口を通り、検出器に入ります。
地球の揺れ、電車のうなり、遠くの浜辺に打ち寄せる波など、ごくわずかな振動でも重力波の信号を圧倒することがあります。そのため、エンジニアは検出器をノイズから入念に分離する必要があります。たとえば、乙女座では、鏡は 7 つの振り子のチェーンの端に吊り下げられています。アップグレードでは、ミラーをその上の重りに接続するスチール ワイヤを純粋なグラス ファイバーに置き換えて、熱ノイズと機械ノイズを低減しました。
しかし、1 年前、40 キロの鏡が吊り下げられてから数日または数週間後に、ガラスの糸が粉々になり始めました。数か月にわたる調査の結果、チームは原因を突き止めました。それは、アップグレードされた真空システムのポンプからの破片の微細な粒子です。これらの粒子がガラス繊維に付着すると、マイクロクラックが発生し、繊維が破損するまで数日から数週間にわたって広がりました。 「繊維は、何かが表面に触れるまでは非常に丈夫です」と、ピサにあるイタリアの国立核物理学研究所の Advanced Virgo プロジェクト リーダーである Giovanni Losurdo は言います。
調査中、チームはガラス繊維を元の乙女座のように一時的に鋼線に置き換え、前進しました。しかし、他の問題が遅延を悪化させました。振動を減衰するスプリングとして機能する小さなスチール製の三角形を調べたところ、350 個のうち 13 個にひびが入っているか、破損していることがわかりました。なぜなのかは謎のままですが、チームは損傷の兆候が見られたもの (全体の 40%) を交換しました。検出器の複雑さを考えると、「いくつかのことが期待どおりに機能しないことは驚くべきことではありません」と、アヌシーにあるフランスの国立原子核素粒子物理学研究所の Virgo チーム メンバー Benoit Mours は述べています。
おとめ座のチームは、2 つの検出器アームで「ロック」を達成しました。これは、光が安定して共鳴していることを意味します。彼らはすぐに中央の光学系を持ち込んでビームを結合したいと考えています。次に、残りのノイズ源を探し出して除去し、スチール ワイヤをそのままにしてどのレベルの感度を達成できるかを確認する必要があります。
乙女座が有用な貢献をするためには、LIGO の少なくとも 4 分の 1 の感度が必要です。研究者は感度を、検出器が太陽の 1.4 倍の質量を持つ 2 つの中性子星の合体を検出できる距離と定義しています。 LIGO の Livingston 検出器は現在、このようなイベントを約 80 メガパーセク (2 億 6000 万光年) まで感知できます。理論的には、すべてのアップグレードが行われ、ミラーがまだ鋼線で吊り下げられている場合、Virgo は 50 メガパーセクに達することができるはずです、と Losurdo は言います。 「高度な乙女座が参加する感度に達し次第、開始します。」
おとめ座のチームにとって苛立たしいことに、スチールワイヤーは、ブラックホールの合体などの中性子星の合体よりも低い周波数の重力波に対する感度に最も影響を与えると予想されています。そして、ブラック ホールの合体はまさに、昨年 LIGO が検出したイベントです。
マサチューセッツ工科大学 (ケンブリッジ) の Lisa Barsotti 氏は、LIGO-Virgo Joint Run Planning Committee の共同議長を務めており、騒音源を排除する作業には数か月かかることは間違いないと述べています。そのため、3 月に予定されていた LIGO への参加は事実上不可能です。 2016 年 11 月 30 日に開始された現在の LIGO の実行は、2017 年 5 月下旬までの約 6 か月間続くと予想されていましたが、それでも乙女座にとっては長引く可能性があります。 Barsotti は、「Virgo に参加の機会を与えるため」、LIGO は 1 か月か 2 か月延長できると述べています。
おとめ座が現在の実行に参加することができたかどうかにかかわらず、チームはグラスファイバーを再インストールし、LIGO が新しい観測実行を開始する 2018 年の春までに他のノイズ源を根絶できるはずです。その後すぐに、4 番目の検出器が捜索に加わる準備ができています:神岡重力波検出器 (KAGRA) は、日本の飛騨市の近くにあり、2019 年に運用を開始する予定です。ミラーを 20 K に冷却します。これは、ノイズを減らして感度を高める 2 つのトリックです。
