ちょうど 5 年前、物理学者が初めて重力波を検出したとき、宇宙に新しい窓が開かれました。重力波は、巨大なブラック ホールや中性子星が衝突するときに発生する宇宙自体の波紋です。発見が殺到しているにもかかわらず、研究者はすでにより大きく、より高感度の検出器を計画しています。そして、フォード対フェラーリのようなライバル関係が生まれ、米国の科学者は単により大きな検出器を提案し、ヨーロッパの研究者はより革新的な設計を追求しています.
カリフォルニア州立大学フラートン校の天体物理学者で、米国の取り組みに取り組んでいる Jocelyn Read は、次のように述べています。カリフォルニア工科大学 (Caltech) の物理学者である David Reitze は、物理学者は 2030 年代に新しい検出器を稼働させたいと考えています。 「重力波の発見は世界を魅了したので、今こそ次に何が起こるかを考える絶好の機会です。」
現在の検出器はすべて、干渉計と呼ばれる L 字型の機器です (下の図を参照)。レーザー光は、各アームの両端に吊るされたミラーの間で跳ね返り、その一部が漏れて L 字の屈曲部で合流します。そこで、光はアームの相対的な長さに応じた方法で干渉します。その干渉を監視することで、物理学者は通過する重力波を見つけることができます。これにより、通常、腕の長さがさまざまな量だけ揺れます。
他の振動を抑えるには、干渉計を真空チャンバー内に収納し、重いミラーを高度なサスペンション システムから吊るす必要があります。また、空間のわずかな伸びを検出するには、干渉計のアームを長くする必要があります。ルイジアナ州とワシントン州にあるレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) では、互いに渦巻く 2 つのブラック ホールからの最初の重力波を発見しました。アームの長さは 4 km です。イタリアにあるヨーロッパの乙女座検出器には、長さ 3 キロメートルのアームがあります。検出器のサイズにも関わらず、重力波による腕の相対的な長さの変化は、陽子の幅よりも小さくなります。
LIGO と Virgo が発見した何十ものブラック ホールの合体は、大質量の星が点に崩壊するときに生成される星質量のブラック ホールの質量が、理論家の予想よりも多様であることを示しています。 2017 年に、LIGO と Virgo は別の啓示をもたらし、2 つの中性子星が一緒に渦巻いていることを検出し、天文学者に合体の位置を空の上で警告しました。数時間以内に、すべてのタイプの望遠鏡が、結果として生じた「キロノバ」の余波を研究し、爆発が大量の重元素をどのように形成したかを観察しました。
研究者は現在、10 倍以上の感度を備えた検出器を求めており、これには驚くべき可能性があると彼らは言います。観測可能な宇宙内のすべてのブラック ホールの合体を検出し、ビッグバンで形成された原始ブラック ホールを検索するために、最初の星の前の時間をさかのぼることさえできます。また、何百ものキロノバを発見し、中性子星の超高密度物質の性質を明らかにする必要があります。
このような夢のマシンに対する米国のビジョンは単純です。 「私たちはそれを本当に、本当に大きくしようとしています」と、長さ 40 キロメートルのアームを持つ干渉計である Cosmic Explorer の設計を手伝っている Read は言います。 LIGO の建設を指揮したカリフォルニア工科大学の物理学者 Barry Barish は、「型抜き型の設計」により、米国は広く離れた複数の検出器を購入できる可能性があり、LIGO と Virgo が現在行っているように、空のソースを特定するのに役立つだろうと述べています。 /P>
そのような巨大な波のキャッチャーを配置するのは難しいかもしれません. 40 キロメートルの腕はまっすぐでなければなりませんが、地球は丸いのです。各アームの中央が地面と同じ高さになると、アームの端は 30 メートルの高さのバームに置かなければなりません。そのため、米国の研究者は、構造をより自然に収容できるボウルのような領域を見つけたいと考えています.
対照的に、ヨーロッパの物理学者は、アインシュタイン望遠鏡 (ET) と呼ばれる単一の地下重力波天文台がすべてを行うことを想定しています。ペルージャにあるイタリア国立核物理研究所の物理学者であり、ET運営委員会の共同議長であるミケーレ・プントゥロ氏は、「私たちは、50年間の[検出器の]すべての進化をホストできるインフラストラクチャを実現したいと考えています。 /P>
ET は、長さ 10 km のアームを備えた複数の V 字型干渉計で構成され、振動を遮断するために地下深くに正三角形に配置されます。 ET は 3 方向に向けられた干渉計を使用して、重力波の偏波 (空間を引き伸ばす方向) を決定し、空の発生源を突き止め、波の基本的な性質を調査するのに役立てることができました。
トンネルには、実際には 2 セットの干渉計が収容されます。 LIGO と Virgo によって検出された信号は、1 秒あたり約 10 から 2000 サイクルの範囲の周波数でハミングし、1 組のオブジェクトが一緒に渦巻くときに上昇します。しかし、1 秒あたりわずか数サイクルの低い周波数を拾うと、新しい領域が開かれます。それらを検出するために、低出力レーザーと絶対零度近くまで冷却されたミラーを使用する 2 つ目の干渉計が ET の各コーナーに配置されます。 (このようなミラーは、3 キロメートルのアームを持ち、LIGO と Virgo に追いつくために努力している日本の神岡重力波検出器 (KAGRA) で既に使用されています。)
周波数を下げることで、ET は太陽の数百倍の質量を持つブラック ホールの合体を検出できます。イタリアのグラン・サッソ科学研究所の天文学者であるマリカ・ブランチェスジは、中性子星のペアが実際に合体する数時間前に捉えることができ、天文学者にキロノバ爆発の事前警告を与えることができると述べています。 「[光の] 初期の放出は非常に重要です。そこには多くの物理学があるからです」と彼女は言います。
プントゥーロ氏によると、ET の費用は 17 億ユーロで、これにはトンネルと基本インフラストラクチャの 9 億ユーロが含まれます。研究者は、ベルギー、ドイツ、オランダが接する場所の近くとサルデーニャ島の 2 つの場所を検討しています。この計画は、研究インフラストラクチャに関する欧州戦略フォーラムによって検討されており、ET はこの夏の予定リストに含まれる可能性があります。 「これは重要な政治的ステップです」とプントゥーロは言いますが、建設の最終承認ではありません.
米国の提案は成熟度が低い。研究者は、2020 年代半ばに 10 億ドル規模のマシンに関する決定が下されるように、国立科学財団が設計作業に 6,500 万ドルを提供することを望んでいる、と Barish 氏は言います。物理学者は、Cosmic Explorer と ET の両方が 2030 年代半ばに稼働することを望んでいます。同時に、計画されているレーザー干渉計スペース アンテナは、数百万キロメートル離れた 3 つの宇宙船のコンステレーションであり、超大質量の黒からはるかに低い周波数の重力波を感知します。銀河の中心にある穴。
新しい重力波検出器の推進は、必ずしも競争ではありません。 「私たちが本当に望んでいるのは、ET とコズミック エクスプローラー、そして理想的には、同様の感度を持つ 3 つ目の検出器さえも持つことです」と、マーストリヒト大学の物理学者で ET に取り組んでいるステファン ヒルドは言います。ただし、Reitze 氏は、タイミングとコストが「デザインの収束と単純化に向かって進む」可能性があると述べています。フォードとフェラーリの代わりに、おそらく物理学者はアウディを数台作ることになるだろう.
*訂正、3 月 29 日午後 1 時 10 分: このストーリーは、地球の曲率が Cosmic Explorer 検出器のレイアウトにどのように影響するかをより正確に反映するように更新されました。
