Transcript 8 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 II
安東 正樹，穀山 渉，久徳 浩太郎，石徹白 晃治，坪野 公夫
(東京大学 理学系研究科)
高森 昭光 (東京大学 地震研究所)
日本物理学会 2006年秋季大会 ( 2006年09月21日 奈良女子大学, 奈良)
目次
低周波数重力波とその検出
背景 --- 低周波数帯の重力波観測
ねじれ型重力波検出器
磁気浮上型検出器 実験
永久磁石 磁気浮上実験
超伝導磁石 磁気浮上実験
まとめ
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低周波数重力波
とその検出
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ねじれ型重力波検出器 (1)
低周波数の重力波観測
これまでに考えられている検出器
地上重力波検出器 (レーザー干渉計)
振り子によって自由質点を実現
試験マス間の距離変化をレーザー光で測定
宇宙重力波検出器
原理的には、自由質点が実現可能
地球の重力場勾配雑音を避けることができる
振り子の共振周波数 (~1Hz)
以下では, 原理的に
感度が (ほとんど) ない
実現するのは大変
(労力, 時間, 費用 …)
地上での低周波重力波検出器
ねじれ型振り子を利用した重力波検出器
棒状の試験マスの回転変動を測定
回転方向に関しては、共振周波数を下げ易い
低周波数帯まで
感度を持たせることができる
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ねじれ型重力波検出器 (2)
重力波検出原理
重力波の効果
自由質点間の距離の変化, 物体への潮汐力
横波, 四重極特性 (直交する方向で差動に変動)
2つの偏光 (+モード, xモード)
従来の
レーザー干渉計型
重力波検出器
z
重力波
ねじれ型
重力波検出器
z
重力波
y
y
x
直交する2方向の
差動距離変化を検出
x
直交する2方向の
角度変化を検出
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ねじれ型重力波検出器 (3)
ねじれ型重力波検出器
試験マスの回転変動をレーザー干渉計で測定
レーザー光源
試験マス
安定な固体レーザー光源 (Nd:YAG)
棒状, 水平面内で回転
外部共振器による周波数安定化
支持法: 小さな復元力,
干渉計
低機械損失, 低摩擦 が重要
短基線長 (~1cm) のFP共振器
 １本ワイヤー懸架, 磁気浮上支持
試験マス両端の差動変位を測定
2セット (直交する向きに配置)
の差動回転を観測
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ねじれ型重力波検出器 (4)
重力波に対する感度
光源周波数雑音 < 10Hz/Hz1/2, CMRR>100
強度雑音 < 10-7/Hz1/2, RMS変動 < 10-12 m
試験マス長 : 20m, 質量 : 10kg
光源 : 1064nm, 100mW
共振器長 : 1cm, フィネス : 100
鏡Q値 : 105 , 支持系損失 : 10-10
温度 : 293K
[1 /H z
sm
ic n
o is
e
試験マス長 : 60cm
質量 : 1kg
e
10
–18
is
10
–17
Se i
no
10
–16
rR
pr adi
Su
es at
sp
s u io n
en
re
si
no
on
is
th
e
er
m
al
no
is
e
an
10
–15
se
ni
10
–14
La
to
10
10
–13
ew
10
N o is e le v el
10
–12
N
1/2
]
10
回転地面振動雑音
~ 差動回転を計測 (元の 1/100)
重力場勾配雑音 – 地面振動起因
Shot noise
–19
M ir r o
–20
r th e
rm a l
–21
10
–3
10
–2
10
–1
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency [Hz]
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ねじれ型重力波検出器 (5)
ターゲットとなり得る重力波源
h ~ 10-15 , f ~ 4 Hz
距離 10kpc, m = 103 Msun
(O b s . b a n d = C e n te r fre q u e n c y )
–12
7
10 M o
10
BH QNM
–14
(1Mpc)
10
–16
Dopplar
tracking
5
10 M o
)
is e
na
no
te n
an
A n k g to n i
0
on
w
rs i m , 1 N e
(2 0 w ith
中間質量ブラックホール合体
10
To
h ~ 10-15 , f ~ 1 Hz
距離 1Mpc, m = 105 Msun
G W c h a ra c te ris tic a m p litu d e
BH準固有振動からの重力波
BH chirp
3
(10 M o , 10kpc)
BH QNM
10
–18
(1Gpc)
10
–2
10
0
10
2
Frequency [Hz]
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ねじれ型重力波検出器 (6)
試験マスの支持法
要求
共振周波数を下げたい  小さい復元力
熱雑音の影響を避ける  小さいエネルギー損失
微小回転を測定する
 小さい摩擦力
十分な耐荷重
ねじれ振り子
1本のワイヤーで懸架する
さまざまな実績がある
重力定数の測定 (Cavendish 1798), 重力逆二乗則の検証,
カシミール力の測定, 衛星用スラスターの力測定, LISAの雑音測定 , …
数mHzの共振周波数は実現可能
回転以外の自由度にも敏感
LISA test facility
L.Carbone et al,
CQG 22 (2005) S509
チタンマス (金コート)
40mm 中空立方体
(壁の厚さ 2mm)
 m~80 g
タングステンファイバー
1m, 直径 25μm
Q~3000, f0 ~2mHz
磁気浮上支持
磁気的な力で非接触支持
原理的には復元力が無い  低周波数で重力波の観測が可能
ワイヤーの摩擦力, 機械損失が無い  磁気摩擦・損失はあり得る
回転以外の自由度は、比較的硬い
微小計測への利用は, これまであまり研究されていない
本研究で
開発する
超伝導重力計: 現在, 世界最高感度をもつ
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磁気浮上実験
2つのタイプのプロトタイプ試験
(1) 永久磁石磁気浮上
(2) 超伝導磁気浮上
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磁気浮上実験 (1)
永久磁石磁気浮上実験
棒状マスを
永久磁石によって磁気浮上する実験
ステージ
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
概要:
1つの試験マスを浮上保持
試験マス : アルミニウム製, 約450g
鉛直方向, 回転方向の2自由度を制御
制御帯域 ~10Hz前後
他の自由度は永久磁石による復元力を利用
大気中での実験 (簡単な風除け)
永久磁石
520mm
ねじれ型重力波検出器
の可能性を探る
コイル
浮上マス
フォトセン
サー
図： 穀山, 久徳
改訂: 安東
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磁気浮上実験 (2)
実験装置
フォトセンサー
LED+4PDs
 角度変動からのカップリングを低減
鉛直方向 1つ, 回転方向 2つ を使用
フレーム
試験マス
回転方向
制御用コイル
永久磁石
鏡
鉛直方向
制御用コイル
回転制御用
永久磁石
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永久磁石
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磁気浮上実験 (3)
制御系設計
Z Feedback Open Loop Gain
G ain
UGF ～ 9Hz
–2
–4
10
180
P h ase [d eg ]
鉛直方向制御
UGF ~ 9Hz
1Hzでのゲイン ~ 20dB
50Hzにノッチ
 ACラインの除去
10
Sep. 12, 2006
0
10
90
0
–90
–180
0
10
10
1
10
2
10
3
Frequency [Hz]
Rz Feedback Open Loop Gain
10
10
Sep. 12, 2006
1
UGF ～ 15Hz
0
–1
–2
P h ase [d eg ]
回転方向制御
UGF ~ 15Hz
1Hzでのゲイン ~30dB
G ain
10
10
60
0
–60
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency [Hz]
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磁気浮上実験 (4)
実験結果
80
地震:
8/31 17:18 震度3
60
R o tatio n [ rad ]
D isp lacem en t [ m ]
制御によって安定な磁気浮上を実現
30日間の連続動作
誤差信号の評価
鉛直方向変動 : ±60μm 程度
回転方向変動 : ±20μrad 程度 (測定系の雑音で制限)
40
20
0
–20
–40
–60
–80
測定： 穀山, 久徳
0
5
10
15
20
25
30
Day
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磁気浮上実験 (5)
地震波形データ
2006年 9月8日 7:51
震源: 千葉県北西部
深さ80km, M3.5
大きさ: 東京都23区で 震度1
1
0
–1
Z Feedback
10
0
–10
Z Error
[ m]
(地震発生から地震波到達までの時間 ~ 16sec)
0.05
0
–0.05
Rot Feedback
30
0
–30
Rot Error
0.03
0
–0.03
X Error
[ rad]
Seismic
1
0
–1
0
[Gal]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [sec]
各自由度で地震波を感知
水平面内並進方向 (無制御) : やや遅れて変動
 制御系のカップリングに起因か
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磁気浮上実験 (6)
超伝導磁石による磁気浮上
防振ゴム
パルス管冷凍機
超伝導ピン止め効果を利用した磁気浮上
特徴:
超伝導ピン止め効果を利用
 浮上のための制御が不要
耐荷重を大きくできる可能性
パルス管冷凍機を使用
冷凍機の振動に配慮
超伝導バルク体
Gd-Ba-Cu-O
Φ60 mm, t 20 mm
臨界温度 92K
(70K程度で十分なピン止め)
本格的な
検出器として有望？
バルブ
ユニット
ベローズ
真空槽
断熱支持棒
真空槽
ヒートリンク
超伝導
バルク体
現状:
GM冷凍機タイプ (地震研より借用),
パルス管冷凍機タイプ
(メーカより借用, 防振装置なし)
 大気中で評価試験
アクチュエータ
試験マス
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鏡
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磁気浮上実験 (7)
超伝導磁石装置写真
100 mm
パルス管冷凍機
アイシン精機より
借用中のデモ機
超伝導バルク体
コンプレッサー
バルブユニット
ヒートリンクサンプ
ル
無酸素銅
銀コーティング
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磁気浮上実験 (8)
最大耐荷重:
Φ70 mm, t 18 mm のNd磁石を使用
 1.3kgw 以上の浮上力
磁気摩擦:
円柱形の浮上マスを回転
 回転運動の自由減衰を測定
(大気中での測定)
g =1.5x10-9 [N・m・s/rad]
R o ta tio n F re q u e n c y
[H z ]
性能評価
10
10
0
–1
測定： 石徹白
0
100
200
300
400
500
600
700
Time [sec]
測定： 高森
(LISA試験用ねじれ振り子,
真空中  g =1.5x10-10 [N・m・s/rad] )
GM冷凍機
振動測定:
GM冷凍機タイプ, パルス管冷凍機タイプ
バルク直近の真空槽壁面で測定
 パルス管冷凍機では、
地面振動レベル以下の振動レベ
PT冷凍機
ル
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まとめ
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まとめ
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で観測可能
利点： 共振周波数を低くすることができる
 低周波数帯の重力波に感度を持つ
磁気浮上なら, 摩擦・機械損失が無い
欠点: 実現できる基線長に限界がある
試験マスの帯電?, 外部磁場の影響?
長さ20m, 10kgの試験マスで
感度限界 : h ~ 10-18 程度
(周波数帯 ~ 数Hz)
観測ターゲット :
MBH準固有振動, 中間質量BH合体
回転地面振動, 重力場勾配変動
磁気浮上実験
永久磁石を用いた装置
安定な浮上を実現 -- 30日以上の連続動作
超伝導磁石を用いた装置
低雑音, 無制御での浮上を実現
耐荷重, 磁気摩擦の測定
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今後の研究
今後の研究
永久磁石を用いた装置
真空中での動作, レーザー干渉計での変動測定
 感度・安定度の向上
超伝導磁石を用いた装置
防振に配慮した超伝導磁石装置が納品 ~ 9月中
耐荷重, 磁気摩擦の測定 (大気中)
 本格的な装置の設計
回転地面振動の測定と、防振
重力場勾配雑音の実測
検出器を2台製作し、差動変動を観測
応用
回転地面振動の観測装置
これまでに測られた例は無い, 上限値 10 nrad/s
弱い力の計測実験
重力定数の測定, 重力の逆2乗則の検証, カシミール力の測定
衛星ミッションでの力の雑音測定, 衛星スラスター評価
干渉計の量子雑音の研究
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終
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磁気浮上実験 (3)
地震波形データ
2006年 9月8日 7:51
震源: 千葉県北西部
深さ80km, M3.5
大きさ: 東京都23区で 震度1
1
0
–1
Z Feedback
10
0
–10
Z Error
[ m]
0.05
0
–0.05
50
25
0
–25
–50
0.03
0
–0.03
Rot Feedback
1
0
–1
Seismic
5
Rot Error
[ rad]
X Error
[Gal]
6
7
8
9
10
Time [sec]
各自由度で地震波を感知
水平面内並進方向 (無制御) : やや遅れて変動
 制御系のカップリングに起因か
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低周波数重力波
重力波源
様々な周波数の重力波 ~ (系の運動速度)/(系のスケール)
多様なスケールでの天文学・宇宙論
(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
–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
es
6
10 M o
10
ol
10 M o
ve
–10
M10
BH
–14
d
B
Galactic binary
Primordial BH
–18
Cosmological GW
–24
(1Gpc)
5
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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DECIGO-PF1 (6)
他の重力波検出器との比較
本格的な将来計画と比較すると見劣りするが，過去のものよりはやや良
い
ドップラートラッキング h ~10-15 (10-4-10-2 Hz)
パルサータイミング
h ~10-14 (10-8 Hz)
S tra in
[1 /H z
1/2
]
10
10
10
10
10
10
–16
DECIGO-PF1
大質量
ブラックホール連星合体
–18
LISA
中性子星
連星合体
銀河系内連星
重力崩壊型
超新星爆発
–20
銀河系内連星
バックグラウンド雑音
–22
–24
DECIGO
–26
基線長 107 m, マス 100kg,
レーザー光 10W, 波長 532nm
テレスコープ径 1m
10
–5
10
–4
10
–3
10
–2
パルサー
初期宇宙
からの重力波
(Wgw=10-14)
10
–1
ScoX-1
(1yr)
(1yr)
LCGT
重力場変動雑音
(地上検出器)
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Frequency [Hz]
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ねじれ型重力波検出器 (3)
ねじれ型アンテナ
棒状の試験マスを使用する
重力波による潮汐力 (四重極)  回転力
2つのマスを直交する方向に配置  重力波によって差動回転する
重力波
回転方向の自由度では、
共振周波数を下げ易い
(ねじれ振り子 ~ 1mHz)
試験マスの運動
低周波数帯まで
感度を持たせることができる
重力波による潮汐力 (xモード)
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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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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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