Transcript 10 ねじれ型重力波検出器 - 安東研究室

低周波重力波検出器の開発
安東 正樹池本尚史，小林洸，坪野公夫
(東京大学 理学系研究科)
日本物理学会 第61回年会 ( 2006年03月27日 松山大学, 愛媛)
目次
低周波数重力波とその検出
低周波数帯の重力波源
ねじれ型重力波検出器
磁気浮上実験
概要
実験結果
まとめ
日本物理学会 第61回年会 ( 2006年03月27日 松山大学, 愛媛)
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低周波数重力波
とその検出
日本物理学会 第61回年会 ( 2006年03月27日 松山大学, 愛媛)
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低周波数重力波 (1)
重力波源
(s tra in , 1 y e a r o b s e rv a tio n )
G W a m p litu d e
10
10
10
様々な周波数の重力波 ~ (光速)/(系のスケール)
多様なスケールでの天文学・宇宙論
–12
(1年間の観測)
Pulsar
timing
–14
Dopplar tracking
9
10 M o
9
–16
10 M o
7
10 M o
8
10 M o
10
10
–18
7
U
10 M o
–20
MBH binary
(1Gpc)
nr
10
10
10
–22
6
10 M o
10
ol
10 M o
ve
–10
M10
BH
–14
d
B
Primordial BH
Galactic binary
–18
Cosmological GW
–24
(1Gpc)
5
es
10
10
BH QNM
LISA
Pulsar
LCGT
–26
DECIGO
–28
10
–8
10
–6
10
–4
10
–2
10
0
10
2
Frequency [Hz]
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低周波数重力波 (2)
連続重力波
SMBH連星からの重力波
合体1年前で
m1 = m2 = 108 Msun のとき
h ~ 2.0 x 10-16
f ~ 2.5 x 10-6 Hz
ここで, 合体までの時間:
合体イベントは
1event/year が期待できる
合体100年前以内のもの:
100個程度ある
BH準固有振動からの重力波
m = 105 Msun のとき
h ~ 10-18
f ~ 1 Hz
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低周波数重力波 (3)
バックグラウンド重力波
宇宙論的バックグラウンド重力波
Wg ~ 10-14 のとき
Wg : 宇宙が開いているか閉じているかを決
める臨界的パラメータと, 周波数 f の
重力波エネルギー密度の比
h ~ 1.5 x 10-18
f ~ 1.0 x 10-7 Hz
インフレーションによる重力波
相転移の際の重力波
宇宙ひもからの重力波
重力波背景輻射
連星からの重力波によるバックグラウンド
MBH連星
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ねじれ型重力波検出器 (1)
低周波数重力波検出器
ねじれ型重力波検出器を利用
人非接触浮上させることにより、復元力を排除
低周波数帯の重力波を観測
1kgのAl製マスで
感度 : h ~ 10-19 (1年間の観測)
観測周波数帯: DC - 1Hz付近
過去の観測結果を4桁程度上回る感
度
観測ターゲット
連星からの連続重力波 (SMBH連星, BH連星, NS連星, WD連星 等)
バックグラウンド重力波 (インフレーション起源, 宇宙ひも起源 等)
バースト重力波 (BH連星合体, BH準固有振動)
これまでに行なわれた事のない観測
他ではできない観測
ができる可能性
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ねじれ型重力波検出器 (2)
重力波検出器の構成
磁気支持された捩れ型検出器
2つの棒状マスを磁気によって非接触支持
 回転方向には摩擦や復元力がほとんど働かない
地面振動のカップリング等を避けやすい
重力波による潮汐力 2つのマスの差動回転
ファブリー・ペロー共振器で変動検出
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アクチュエータ :
静電型アクチュエータ
干渉計プラットホームから制御
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ねじれ型重力波検出器 (3)
ねじれ型アンテナ
重力波による潮汐力 (四重極) によって回転力を受ける
2つのマスを直交する方向に配置  差動回転を検出
重力波
振動子の運動
重力波による潮汐力 (xモード)
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特徴:
比較的低い共振周波数
観測用の振動モードが分
離
他自由度は硬くできる 9
愛媛)
ねじれ型重力波検出器 (4)
重力波に対する感度
注:
地面振動のカップリング
地球潮汐の影響
が含まれていない
光源パワー : 100mW, フィネス : 100,
鏡質量 :
1kg
鏡Q値 :
106,
温度 : 300K
10
–12
t io
1/2
Cavity length: 10cm
Laser power: 100mW
Finesse: 100
Mirror mass: 1kg
Q–value of a mirror: 10
ia
n
–14
es
10
pr
[1 /H z
ad
]
R
10
–13
re
–15
no
is
10
10
10
e
N o is e le v el
su
10
6
–16
Shot noise
M ir r o
–17
r th e
rm a l
–18
10
–2
10
–1
10
0
10
1
10
2
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3
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Frequency [Hz]
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ねじれ型重力波検出器 (5)
重力波源
(s tra in , 1 y e a r o b s e rv a tio n )
G W a m p litu d e
10
10
10
様々な周波数の重力波 ~ (光速)/(系のスケール)
多様なスケールでの天文学・宇宙論
–12
(1年間の観測)
Pulsar
timing
–14
Dopplar tracking
9
10 M o
9
–16
10 M o
7
10 M o
8
10 M o
10
10
–18
7
U
10 M o
–20
MBH binary
(1Gpc)
nr
10
10
10
–22
6
10 M o
10
ol
10 M o
ve
ねじれ型検出器
–10
M10
BH
–14
d
B
Primordial BH
Galactic binary
–18
Cosmological GW
–24
(1Gpc)
5
es
10
10
BH QNM
LISA
Pulsar
LCGT
–26
DECIGO
–28
10
–8
10
–6
10
–4
10
–2
10
0
10
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Frequency [Hz]
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磁気浮上実験
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磁気浮上実験 (1)
磁気浮上実験
棒状マスを磁気浮上する実験
目的:
磁気浮上系の安定性の検証
地面振動等の影響、
カップリングの大きさの測定
ねじれ型重力波検出器
の可能性を探る
概要:
約700gのマス(アルミニウム製)
を磁気により浮上
 安定度を測定
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磁気浮上実験 (2)
実験装置
フレーム
制御用コイル
反射板
マス
ネオジウム磁石
フォトセンサー
LED+2PDs を 4セット
 角度変動からのカップリングを低減
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ネオジウム磁石
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磁気浮上実験 (3)
実験結果
Displacement [mm]
制御によって磁気浮上に成功
UGF ~ 4Hz
1時間以上の浮上
z方向変動 : 1.5mm程度
他自由度とのカップリングの影響がある
0
50
100
Time [sec]
150
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まとめ
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まとめと結論
ねじれ型低周波数重力波検出器
低周波数帯には、振幅の大きな重力波がある
ねじれ型重力波検出器の可能性を検討
1kgのAl製マスをもつねじれ型検出器で
感度 : h ~ 10-19 (1年間の観測)
観測周波数帯: DC-1Hz付近
過去の観測結果を4桁程度上回る感度
観測ターゲット : MBH準固有振動など
ただし…
地面振動の影響, 他自由度のカップリング,
地球潮汐力等の影響を考慮する必要がある
磁気浮上実験
 浮上には成功したが, まだ不安定性も残る
今後
より安定な装置の開発
モデルシミュレーション
より安定な環境での動作を検討
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終
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指向性
指向性
干渉計型重力波検出器とほぼ同じ
2つの独立な信号 (h+, hx に対応) が得られる
回転軸方向で最大
回転軸と垂直な方向で最小
(軸方向の 1/8, 無偏波の場合)
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