LIGO: 精密光学で重力波を検出する

重力を見る: LIGOが重力波を検出する方法

天文学の歴史は望遠鏡の進歩と結びついており、宇宙のより多くを私たちに明らかにしてきました。ガリレオや他の先駆者たちの原始的な望遠鏡から始まり、今日に至ります。

私たちはいくつかの新しい望遠鏡メガプロジェクトを取り上げました、例えば:

• DKIST、世界で最も強力な太陽望遠鏡。
• James Webb宇宙望遠鏡、地球から数百万マイル離れた場所にあります。
• Vera C. Rubin観測所、全空を一度に観測するサーベイ望遠鏡。
• SKAO（Square Kilometer Array観測所）、電波スペクトルで空を観測。
• DUNE（Deep Underground Neutrino Experiment）、捕らえにくいニュートリノを検出。

新しいタイプの天文学が登場しています。それは光や電磁波の波長ではなく、重力波を測定する全く新しい方法です。

かつては理論上の存在でしたが、比較的最近になって重力波は実証された現象となりました。1つのプロジェクトはそれらを測定する方法を探っています: レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）。

重力波天文学で重力を測定する

重力は長らく、電磁力や原子レベルの核力を駆動する力と同様に、宇宙の基本的な力の「ひとつ」に過ぎないと考えられてきました。

しかし20^世紀の転換期に、アインシュタインの相対性理論は重力を時空の曲がりとして記述しました。

この理論は、星のような非常に大きな物体に対する重力の働きを正しく説明しただけでなく、当時まだ発見されていなかった中性子星やブラックホールといった多くの宇宙現象を予言しました。

別の予言は重力波であり、空間が湖面に波が伝わるように伸び縮みする現象です。

通常の光の波や海の波とは異なり、重力波は粒子によって運ばれません。代わりに、時空そのものが波打ったり振動したりすることで重力波が生じます。

例えば、2つのブラックホールが衝突するような、非常に大規模なイベントが重力波を生成し、測定可能になると考えられます。

しかし、たとえその現象が絶対的にどれほど強力であっても、地球とその源との膨大な距離、そして時空自体を測定しようとする困難さから、超高感度の装置が必要となります。

重力波が地球に到達するまでに、数百万または数十億光年離れた場所から来るため、何千億倍も小さくなります。

このため、LIGOのように驚異的な装置が概念化されたのです。

LIGOが最初に検出した重力波において、時空の揺らぎは原子核の10,000分の1の大きさでした！

干渉計が重力波を検出する仕組み

重力波の最初の間接的証拠は、連星パルサーの軌道研究によって得られました。軌道減衰によるエネルギー損失は、重力波生成によって失われると予測されたエネルギーと一致し、1993年ノーベル物理学賞を受賞しました。

Source: Nobel Prize

直接測定には別のタイプの証拠が必要で、干渉計が用いられます。干渉計の基本的な考え方は、光ビーム同士の相互作用を利用することです。2つの光波が同じ波長であれば、重なり合い暗部と明部のパターンを作ります。

しかし、何らかの要因で波長が変化すれば、その乱れを測定できるのです。

重力波による時空の膨張・収縮が干渉計の腕の一方を他方よりも多く伸縮させるため、重力波の検出可能で測定可能な効果が生まれます。

LIGO – ノーベル賞受賞の偉業

最も単純に言えば、LIGOは2本の長い腕から構成され、各腕に光を送ります。各腕は4km（約2.5マイル）です。腕が長いほど、微小な変化も検出しやすくなります。

レーザービームが干渉計の片方の腕に送られ、2本に分割されます。両方のビームは鏡に当たって反射し、戻ってきます。

通常、2本のレーザービームは互いに打ち消し合うはずです。

しかし、重力波によって片方の腕が他方よりも収縮または伸長すると、レーザービーム間の干渉が止まり、光信号が検出されます。

Source: Nobel Prize

2015年、米国国立科学財団（NSF）のレーザー干渉計重力波観測所（NSF LIGO）は、地球から13億光年離れた場所で起きたブラックホール衝突によって生成された波の検出を確認しました。

この画期的な業績により、ライナー・ワイス、バリー・バリッシュ、キップ・ソーンの3名が2017年ノーベル物理学賞を受賞しました。

LIGOの構築

原理的には、LIGOは比較的シンプルな概念で、重力波と光・レーザーの基本を理解すればすぐに把握できます。

しかし、原子の1/10,000^分の1という長さの変化を検出できるほどの精度を持つシステムを構築するのは別問題です。

米国北西部とルイジアナ州に、約3,000km（1,860マイル）離れた2つの類似施設が建設されました。

Source: Nobel Prize

この二重施設は確認用として機能します。距離が大きいため、重力波は両施設で約7秒の「遅れ」を持って同じ信号を生成します。

したがって、単一の検出だけでは誤差や局所的な擾乱とみなされる可能性がありますが、米国全土で予測された時間間隔で同時に起きることはほぼ不可能です。

二重施設はまた、信号を三角測量できるという非常に価値のある利点を提供します。これにより、信号源となり得る天体がどこにあるかを空の領域に絞り込み、通常の天文学者がその天体を特定できるようになります。

LIGOが目指す前例のない測定精度

最初の技術的ハードルは、レーザー光の波長と強度をできるだけ安定させることです。これが不安定だと、ランダムな揺らぎが重力波の信号と誤認される恐れがあります。

次に、ビームが吊り下げられた鏡に正確に当たらなければなりません。これらの鏡は全く動いてはいけません。

葉が木から落ちるときや子どもが走り回るとき、遠くの道路をトラックが通過するときでさえ、ほとんど揺れないようにすべきです。同時に、これらの吊り鏡は重力波の通過に合わせて揺れる自由さも必要です。

重力以外の微小な変動も補正しなければなりません、例として:

• 鏡表面上の原子の熱運動
• レーザー内部の量子効果
• 地震による揺れ
• 空気中の不純物は干渉を引き起こすため、実験全体を巨大な真空管内で行う必要があります。

理論上は4km以上の腕があればさらに精密な測定が可能ですが、実際には干渉計をどれだけ大きく作れるかには実用的な限界があります。

その結果、予備的な作業に加えて、このプロジェクトには小規模な研究チームが提供できる以上の予算と技術的専門知識が必要であることがすぐに明らかになりました。

そこで1994年、カリフォルニア工科大学（CalTech）のバリー・バリッシュ科学者が、約40人の小規模研究グループを、1,000人以上の参加者を擁する大規模国際協力体に変え、初期資金として3億9500万ドルを確保しました。

2015年の突破口を達成するには総額2億ドルが必要で、LIGOは10倍強力なレーザー、40kgの鏡、極めて高度なノイズ除去、そして世界最大級の真空システムを導入しました。

地震安定化

地球は決して完全に安定していないため、LIGOの鏡も地震安定化装置なしでは安定しません。

まず、受動的な振動低減システムが鏡に取り付けられました: 振動を吸収し、次の部品へ伝わらないようにする複雑な振り子システムです。

この構造は振動低減に非常に効果的で、吊り上げ部の振動はテスト質量に到達するまでに1億分の1にまで減衰します。

Source: LIGO

それでも不十分だったため、能動的な安定化システムも追加されました。各観測所周辺の地震計が地面の動きを感知し、信号をコンピュータに送って逆方向の動きを算出します。

Source: LIGO

振動がないことの重要性は、干渉計を建設するサイト選定時の重要基準でした。広大な空間が必要なだけでなく、人間活動による振動が少ない場所、すなわち光害に相当する「重力波検出の光害」がない場所が求められました。

光学系

各40kgの光学系は吊り下げ部の底部に取り付けられ、超純粋な素材でナノメートル厚の層として形成されています。これらは5,000,000光子のうち1光子だけを透過させるようにコーティングされています！

レーザー

実験の核となるレーザーは、波長を極めて安定させ、干渉パターンを一定に保ち、重力波によってのみ乱れるようにする必要があります。

市販のレーザーではこの精度は得られませんでした。そのため、LIGOのレーザーは史上最も安定で純粋なレーザーのひとつになるよう特別に設計されました。

真空

空気や浮遊粒子による干渉を減らすため、実験は超高真空状態で行われます。

これにより、鏡に付着するほこりのリスクも除去されます。ほこりがレーザーで燃焼すると、200万ドルの鏡が破壊されてしまいます。

LIGOの腕内部の大気圧は海面上の1兆分の1で、立方センチメートルあたり約1,000万分子しか存在しません。

LIGOの成果

2015年にブラックホール同士の衝突が初めて発見された後、観測所は宇宙の他の高エネルギーイベントも多数測定しました:

• 2016年の別のブラックホール合体は、約30太陽質量のブラックホールが2つ合体し、13億光年離れた場所で観測されました。これは観測可能宇宙全体の距離の約1/10に相当します。
• 2017年に3回目、続いて4回目のブラックホール合体が観測されました。

その後、LIGOは2019年まで改良のために一時停止し、パンデミックで中断されました。科学者たちはこの機会にさらなる改良を行い、イタリア・ピサ近郊の欧州姉妹施設VIRGOをネットワークに加えました。

LIGOの未来

過去の改良により、LIGOは近年79件以上の重力波検出を行い、中性子星やブラックホールに関わるイベントの広範なカタログを作成し、他の天文学者が正確に特定し、より深く理解できるようになっています。

将来的に重要なアップグレードは、現在の40kg鏡を100kg鏡に交換し、より大きな吊り下げシステムを導入することです。

この追加感度により、宇宙における重力に関するさらなる情報が得られるでしょう。

もう一つの研究分野は「バースト重力波」です。未知または予期しない源からの短時間波で、理論的で検出が困難です。そのため、LIGOの解析者は何が有効な信号で何がそうでないかについて柔軟な姿勢が求められます。

「私たちはこれまで知らなかった系からも重力波を検出できるかもしれません。このような重力波を探すには、LIGOの科学者が以前にモデル化したような明確な特性を持つと仮定できません。つまり、予測された重力波のシグネチャだけを検索対象に限定することはできません。」

その他の重力波検出器

次世代の干渉計も議論されており、特にCosmic Explorerは40km長の腕を持つ干渉計、またEinstein Telescopeは地下深くに埋められた10km長の腕を持つ三角形検出器です。

将来的に見込まれるもう一つのプロジェクトは、巨大な宇宙空間ベースの重力波検出器: LISA（Laser Interferometer Space Antenna）です。これは欧州宇宙機関主導の事業で、3機の宇宙船が三角形に配置され、各衛星間の距離は250万kmですでに設計・試験が進められています。

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結論

LIGOは、初の実験的試みからすぐに重力波の存在を実証した、非常に印象的なプロジェクトです。

LIGOのようなプロジェクトは、一見純粋に学術的に見えるかもしれませんが、実際には直接的な応用が想像しにくいことは稀です。

例えば、アインシュタインの相対性理論は今日、GPS衛星の位置校正に日常的に利用されており、1919年には商業的な必要性としては想像できなかった応用です。

同様に、LIGOは科学者に対し、より精密な鏡、安定化システム、レーザーの開発を促し、世界クラスのエンジニアリング水準を実現しています。

これらのイノベーションは、先進的なコンピューティングや宇宙技術を含む、これらの装置を使用するあらゆる技術に恩恵をもたらす可能性があります。

先進光学への投資

Corning Incorporated

望遠鏡が先進的なガラスの精密製造の可能性を押し広げるにつれ、自動車、半導体、AI、防衛、バイオテクノロジー、ヘルスケアなど多様な産業で多数の工業的可能性が開かれます。先進光学市場は3100億ドル規模で、2032年までに年平均成長率9.2％で成長すると予測されています。

Corningは170年の歴史を持つガラス・光学企業です。その歴史の中で、トーマス・エジソンの電球用ガラス、低損失光ファイバー、触媒コンバータを可能にするセルラー基板、モバイルデバイス用の耐衝撃カバーガラスなどを初めて製造しました。

Source: Corning

現在、同社はガラスとセラミックスの製造、光学物理技術というコアテクノロジーに注力しており、これらは共通の製造プロセスと最終市場を共有しています。

Source: Corning

この技術間の相互接続により、同社は異なる製品ライン間で共通の製造、研究、エンジニアリング能力を共有できます。従業員は52,000人以上、世界中に77以上の製造拠点、10以上のR&D施設を有し、ニッチ市場で大手プレーヤーとなっています。

Source: Corning

同社はAIとデータセンター構築（光ファイバー）ブーム、そして特殊ガラスのスクリーンやバイオテクノロジーへの総合的な需要から恩恵を受けています。

米国の収益の90％は米国産製品から来ているため、関税の影響は小さいと考えられます。中国での売上のほとんどは中国国内の施設で生産されており、80％が中国国内で販売されています。

関税はむしろプラスに働く可能性があります。CorningはHemlock Solarの戦略的コントロールを通じて米国製パネルの製造に参入しており、アジア（中国を含む）製パネルに対して四桁の関税が課される中で、顧客のコミットメントにより80％の生産能力がすでに確保されています。

シリコンは同社のコア製造専門知識であり、60年にわたりポリシリコンを製造し、超純粋シリコン（99.9999999999％純度）を含む製品を提供してきました。現在は米国内で100％輸入されていたシリコンウェハーの生産も開始しています。

Source: Corning

同社はまた、曲げられるガラス、AR、炭素回収など、ガラスとセラミックスの専門知識が優位性を提供できる他の先進技術にも注目しています。

Source: Corning

総合的に見て、Corningは高度に技術的な企業であり、ローカライズされた製造拠点は脱グローバリゼーションの影響を受けにくいです。また、同社は自社のコアコンピタンスに合致した新市場、特に太陽光と光通信／AIインフラに積極的に参入しています。これにより、ニッチ市場で保守的に掘り下げる企業であると同時に、ハイテク市場での成長株となる可能性も秘めています。

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