Scientific American にKAGRAの記事が掲載されました。

大型低温重力波望遠鏡（KAGRA）の運転開始迫る！

人類初の「重力波」の観測を目指した、大型低温重力波望遠鏡KAGRAの観測開始がいよいよ迫ってきました！

KAGRAは、現在、岐阜県飛騨市神岡町にある旧神岡鉱山のある池ノ山の山麓に建設されている新しい時代の望遠鏡です。望遠鏡と言ったら、スバル望遠鏡や、ハッブル宇宙望遠鏡、多くの電波望遠鏡のように、山頂や宇宙空間のように、空気の影響を可能な限り避ける場所を選んで、宇宙から届く光や電波を受ける望遠鏡をご想像されると思います。でも、重力波望遠鏡は、「地下から宇宙を観測する望遠鏡」です。そんな、常識破りの望遠鏡でとらえようとしている「重力波」とはなんでしょうか？

重力波をとらえる意義

重力波は、かの有名なアルバートアインシュタイン博士が考え出した一般相対性理論を解くことによって、その存在が予言されている重力の波動現象です。その存在は、1979年に、ハルス博士とテイラー博士によって間接的には証明されました。しかし、まるで携帯電話で電波を受信するような感じで、その重力波が装置を使って直接的に検出されたことはいまだかつてありません。

人類は、誕生して以来、まずは光でこの世の中を理解し、特に、この200年の間には、光の仲間である、電波、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線の存在を知ることにより、さらに、自然への理解を深め、応用することで、生活を豊かにしてきました。今、これに重力波が加わろうとしています。しかも、重力波は、光の仲間ではないので、光の仲間では見えない世界が見えるのではないかという期待がかけられています。宇宙誕生の瞬間、ブラックホールが誕生する瞬間もみえるようになるでしょう。

重力波はどうやってとらえる？

重力波が来ると、二つの離れた物体の距離が、重力波の周期で伸びたり縮んだりするようになります。重力波望遠鏡は、この伸縮をとらえる、いわば長さ計測装置です。しかし、その重力波による伸縮の効果は非常に小さく、たとえば、地球と太陽の距離（1億5千万キロメートル）が水素原子1個分（0.1 ナノメートル）動く程度でしかありません。それを地球上で行おうとすると、約3kmの長さの直線距離に対し、1兆分の1のさらに1億分の1メートルの変化をとらえる必要があります。しかし、世界の重力波望遠鏡は、KAGRAも含め、すでに、この3 ~ 10倍の大きさのものを検出できる能力をもつ技術を開発しており、その目標検出能力の達成をめざし、現在各国で望遠鏡を建設中です。

KAGRA重力波望遠鏡の目標検出感度を達成するための協力体制

重力波の信号が非常に小さいため、望遠鏡を揺り動かすありとあらゆる原因が雑音となりえます。特に大きく揺り動かすものが、地面の振動と、装置の熱振動です。KAGRAでは、その影響を十分に取り除くための戦略や技術開発を、東京大学宇宙線研究所が主導しながら、高エネルギー加速器研究機構や自然科学研究機構・国立天文台も主要な推進機関として行っています。

例えば、東大宇宙線研究所は、地面の振動を影響を避けるために、そもそも、その地面の振動が小さい場所をKAGRAの建設場所として選定しました。それが、旧神岡鉱山内の地下200メートル以深に新たに掘削した地下トンネル空間です。地面振動は、地表に比べて1/100以下と小さくなっており、特に1Hz以下の振動が小さいことが、重力波望遠鏡の安定的な運用に欠かすことのできない利点となっています。ちなみに、トンネルの総掘削量は、外部からのアクセス部、干渉計が設置されるアーム部を合計し、7700メートル余に達しましたが、1年10か月という短期間で完成されました。

ただ、このように地下に設置するだけでは、とらえたいと思っている重力波の周波数付近に地面振動の影響が多大に残っていますので、鏡をその振動からさらに防ぐ高性能な装置が必要になります。この鏡防振装置を主に開発しているのが国立天文台です。
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さらに、望遠鏡の心臓部である鏡が熱を持っていることが原因で起こる熱振動も重力波信号をかき消す原因になります。この熱振動を低減するための装置を開発してきたのが、高エネルギー加速器研究機構です。＊＊＊＊

このように、重力波望遠鏡の感度性能を直接左右する部分の開発には、主要三機関が主導的にたずさわっていますが、その他にも、重力波望遠鏡を望遠鏡として運用するには、真空装置、レーザー装置、補助光学装置、望遠鏡制御装置、データ取得装置、データ解析手法など様々な部位の開発が必要で、それらは、国内外の多くの大学や研究機関の協力を得て推進されています。

重力波天文学の創生に向けて

重力波の初検出を目指して、世界の主要国がしのぎを削っています。アメリカは、腕の長さが4kmあるLIGO（ライゴ）という重力波望遠鏡を2台建設し、目標感度まであと3倍程度まで肉薄しています。ヨーロッパでは、主に、イタリア、フランス、オランダなどが協力し合いVIRGO（ヴァーゴ）という重力波望遠鏡を建設し、さらなる高性能化を進めています。ただ、重力波信号の検出を確信をもって世に宣言するには、１台だけでは心もとないので、KAGRAを含めた複数台の重力波望遠鏡のデータを持ち寄り、信号の信頼性を高めることは必須です。将来は、これらの重力波望遠鏡が観測ネットワークを構成し、重力波天文学を創生することを目指しています。

道村唯太さん が「光リング共振器を用いたローレンツ不変性の検証」の研究で、第10回 日本物理学会 若手奨励賞 (宇宙線・宇宙物理領域) を受賞されました。

黒田先生の万有引力に関する記事が、雑誌「パリティ」7月号に掲載されました。

入射光学系、モードクリーナー、ビームスプリッター部、両エンドクライオスタット用のクリーンブースの設置が完了しました。これから、順次運転していく予定です。

両腕3kmの真空ダクトの設置と締結が完了し、真空漏れの無いことも確認されました。

鏡冷却用クライオスタット4台の設置が完了しました。現在、真空の漏れが無いかの検査を行っています。

国立天文台チームが開発していました、KAGRA用の鏡防振装置の一つの動作確認が確認できました。

KAGRAの共同研究者：宗宮君が文部科学省の若手科学者賞を受賞しました。

2014年4月24日に、科研費特別推進研究「極低温干渉計で挑む重力波の初観測」　（研究代表者：梶田隆章）が採択されました。

世界初の重力波直接観測を目指す大型低温重力波望遠鏡KAGRAのトンネル掘削が完了

１．発表者：
梶田　隆章（東京大学宇宙線研究所　所長・教授）
大橋　正健（東京大学宇宙線研究所　准教授、注１）
内山　隆（東京大学宇宙線研究所　助教）

２．発表のポイント：　
　◆大型低温重力波望遠鏡・KAGRA（かぐら、注２）を格納する3キロメートルの腕を2本持つL字形トンネルの掘削が完了しました。
　◆KAGRAは、世界で唯一、低地面振動環境である地下に建設されるキロメートルスケールの重力波望遠鏡であり、地下トンネルはKAGRAの感度性能を向上させる重要な構成要素です。
　◆今後、実験施設の整備、実験装置の構築を経て、2015年末には重力波試験観測、2017年度には重力波の観測開始により、世界初の重力波直接観測、重力波天文学の創出を目指します。

３．発表概要：　
　東京大学宇宙線研究所が中心的な推進機関となり、アインシュタインの一般相対性理論により存在が予測されている重力波の世界で初めての直接的検出を目指した、大型低温重力波望遠鏡・KAGRA（かぐら）（以下KAGRA）の建設を、2010年より岐阜県飛騨市神岡町池ノ山の地下において進めてまいりました。このたび、2014年3月末をもって、そのKAGRAを格納する地下トンネルの掘削が完了しました。重力波望遠鏡の設置場所として地下環境が選定されたのは、世界でKAGRAが初めてです。地下が好環境である理由は、極めて微弱な重力波の信号を捕えるKAGRAにとって、信号を掻き消す雑音となりうる地面の振動が、地表に比べて100分の1程度と小さいためです（図１）。KAGRA本体を格納するトンネル部は、地表より200メートル以深の地下に掘削され、片腕3キロメートルを2本持つL字構造をしており、両腕部合計6kmには0.3%の傾斜がつけられています。このKAGRA本体トンネルの他、本体への誘導トンネルも含め、総延長7,697メートルのトンネルが掘削されました。今後は、実験設備の整備、装置の構築を経て、2015年末に最初の試験観測運転を行い、2017年度には、重力波観測運転を開始する予定です。

４．発表内容：　
　大型低温重力波望遠鏡・KAGRA（かぐら）は、東京大学宇宙線研究所が中心的な推進機関となり、高エネルギー加速器研究機構および、自然科学研究機構・国立天文台を主たる共同推進機関とし、国内28機関155人、国外3機関76人の共同研究者が参画する研究プロジェクトです。重力波は、時空の歪みが波動となって伝搬する現象で、アインシュタインの一般相対性理論がその存在を予測しています。重力波の存在は、ラッセル・ハルス博士とジョゼフ・テイラー博士により初めて間接的に証拠づけられました。1974年に両博士により発見された連星中性子星（注３）の公転周期の観測減少値が、連星系からの重力波の放出を仮定した場合の公転周期の計算減少値と高い精度で一致したことにより、中性子星の加速運動による重力波放射が裏付けられました。最近では、BICEP2実験（注４）により、インフレーション時に発生したと予測される原始重力波の痕跡が宇宙マイクロ波背景放射に残っていることが報告され、もしこれが確認されれば新たな重力波の存在の証拠となります。しかし、重力波はその波形がわかる形で直接的にとらえられたことはありません。重力波を直接的にとらえることは、重力と時空の動的な関係の検証にとどまらず、強い重力場における物理現象の観測と解明、電磁波では直接観測することのできないブラックホールの直接観測を可能にするという意味で、非常に重要なテーマです。
　重力波が到来すると、二点間の距離がほんのわずかに伸縮するため、重力波望遠鏡ではこの長さの変化をとらえます。言い換えれば、重力波望遠鏡は、「長さ計測装置」ともいえます。しかし、強力な重力場を発生させる連星中性子星の合体、ブラックホール連星の合体などによって発生する重力波でさえ、典型的には、地球と太陽の間の距離を水素原子1個分変化させる程度のものでしかありません。しかも、そのような天体現象は、銀河系では10万年に一度程度しか発生しません。よって、重力波望遠鏡で、1年に数回の割合で重力波をとらえるには、より多くの銀河を観測する必要があり、超高精密度長さ計測装置である必要があります。しかし、重力波望遠鏡を振動させる原因は数多く存在します。それらを全て排除し、理想的には、光の量子雑音（注５）のみで制限される極限性能を得る必要があります。中でも、望遠鏡を地球上に設置する限り逃れられない「地面振動」と、装置が熱を持つことに起因する「熱雑音」は特に注意して除くべき雑音源です。これら雑音を低減させるために、KAGRAでは、そもそも地面振動が少ない地下環境に望遠鏡を設置し、地面振動の影響を少しでも逃れ、かつ、実験装置の心臓部を絶対温度で20ケルビン（摂氏マイナス253度）までに冷却し、熱雑音を低減するという工夫を取り入れています。今回の発表は、前者、地面振動を逃れる場所として選定した、岐阜県飛騨市神岡町の池ノ山（旧神岡鉱山）において、地下環境を整えるためのKAGRA用トンネルの掘削が完了したことをご報告するものです（図２）。池ノ山は、飛騨片麻岩という非常に硬い岩質を含む山であることも選定理由の一つです。
　KAGRAの建設は、2010年より開始しました。KAGRA本体を格納するトンネル部は、地表より200メートル以深の地下に位置し、片腕3キロメートルの2本の腕を持つL字構造をしており（図２）、両腕部合計6kmには地下の湧き水を流すため0.3%の傾斜がつけられています。この本体用トンネルのみならず、そこに到達するための誘導トンネルも掘削する必要がありました。
　トンネルの掘削は、鹿島建設株式会社によって行われ、2012年5月より、茂住地区から誘導トンネルの掘削が、同年6月より跡津地区の誘導トンネルの掘削が始まりました。その後、跡津側では、中央実験室部の掘削を経て、東北東にのびるXアーム、北北西にのびるYアームの掘削班にわかれて進行しました（図３）。一方、茂住側は、Yアームトンネルの掘削を池の山断層付近（茂住側エンドステーションより1,165メートルの地点）まで進んだ後、断層での大量異常出水を避けるため、一旦茂住側からの掘削は終了させ、跡津側からの掘削が到達するまでの間、断層付近の水抜きを行いました。そして、2013年12月に、Yアームにおいて跡津側からの掘削により貫通し、まずYアームが先にできました（図４、図５）。一方Xアームは、跡津側からの一方向の掘進であったため、進行速度に限界がありましたが、2014年3月末に全ての掘削が完了しました。最終的に、掘削総延長距離は7,697メートルに達しました。実際に掘削してみると、岩質はおおむね良好ではありましたが、場所によっては大量の湧水の発生で掘進が阻まれることが多々発生しました。にもかかわらず、本トンネル工事において鹿島建設株式会社は、NATM工法における月間掘進距離359メートルの国内最高記録を達成し、その高い技術により、大きな事故もなくトンネル掘削を終えました。
　今後は、実験設備の整備、装置の構築を経て、2015年末の最初の試験観測運転を行い、2017年度に重力波観測運転を開始する予定です。

５．問い合わせ先：　
（KAGRAについて）
東京大学宇宙線研究所准教授・KAGRA広報担当　三代木　伸二　
TEL: 080-6796-3536
Email: miyoki@icrr.u-tokyo.ac.jp

（宇宙線研究所について）
東京大学宇宙線研究所広報担当特任専門職員　林田　美里
TEL: 04-7136-5148
Email: misato@icrr.u-tokyo.ac.jp

６．注釈：　
（注１）2014年4月1日より東京大学宇宙線研究所教授。
（注２）KAGRA計画は、2010年6月に文部科学省の最先端研究基盤事業の一つに採択されて計画が開始。
（注３）連星中性子星：２つの中性子星が互いを軌道運動している天体。
（注４）BICEP2実験（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization）：南極点付近で原始重力波に起因する宇宙マイクロ波背景放射の偏光を探査する望遠鏡。
（注５）光の量子雑音：重力波望遠鏡は高強度のレーザー光を使用する干渉計であるが、その干渉計において、レーザー光中の光子数の統計的な揺らぎが起因となって現れる雑音のこと。

７．添付資料：　
★カラー画像はこちらでダウンロードいただけます。
（zipファイル）
http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/public_relation/press_release/2014/20140331kagra/kagra.zip

８．関連発表
本ご報告は、東京大学の「研究成果発表一覧」ページ、及び、共同推進機関である、高エネルギー加速器研究機構、自然科学研究機構・国立天文台の所定ページにも掲載されています。
　　東京大学：http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_02_j.html
　　高エネルギー加速器研究機構：http://www.kek.jp/ja/NewsRoom/Release/20140331150000/
　　自然科学研究機構・国立天文台：http://tamago.mtk.nao.ac.jp/spacetime/KAGRA_tunnel_j.html

図１．柏キャンパスの地面振動（赤）と池ノ山の山頂から1,000メートル以深にあるCLIO実験室の地面振動（緑）との比較。200メートル以深で1,000メートルとほぼ同等の振動レベルが得られる。

図２．大型低温重力波望遠鏡KAGRAの全体像。それぞれ長さ3キロメートルの２本の腕を持つL字型構造をしたレーザー干渉計。

図３． 2012年12月時点でのL字型分岐点におけるパノラマ。

図４．跡津方面から茂住方面へのびるYアームの貫通発破の瞬間。茂住側エンドステーションより1,165メートルの地点で発破。

図５. 直線にのびるYアーム。

日本の大学としての最初の女子大学生は、1913年（大正2年）に東北大学に入学した３名の理系の女子学生だったそうです。
今年はちょうど入学100周年にあたることから、女性天文研究者の会は、「女子大学生誕生100周年記念ミニ談話会」というテーマで、東北大天文出身の東谷 千比呂さん（東大宇宙線研）からの話題提供を中心にして、談話会形式でのランチ会が企画されました。ご参加いただいた皆様と、理系女子学生や女性研究者を盛り上げていくためにはどのようにしたらよいか、など自由に意見交流を行いたいと思いますので、手軽なランチをご持参のうえ、お集まりください。もちろん男性の参加も大歓迎です。

日時：９月１１日（水）　１１：３０－１２：３０

会場：日本天文学会２０１３年秋季年会　Ｈ会場

興研社社内誌にKAGRAグループの狭山工場訪問の様子が掲載されました。また、国立天文台に導入されたクリーンシステムと国立天文台・阿久津君のインタビュー記事が掲載されました。

物理科学雑誌：パリティの7月号に、梶田先生による「基礎物理からも天文からも待ち望まれたもの「かぐら」と重力波天文学の展望」という題名で、記事が掲載されました。

茂住坑道の発破作業がが開始されました。

発破前

発破後

参議院文教科学委員会の国会議員の方々が、神岡宇宙素粒子研究施設を見学されました。CLIOも同時にご訪問され、大橋さんがCLIOの概要について説明いたしました。

今回ご訪問された国会議員の方々は、
委員長　野上浩太郎　議員（自民党）
理事　鈴木寛　議員（民主党）、那谷屋正義　議員（民主党）、橋本聖子　議員（自民党）、水落敏栄　議員（自民党）
委員　藤谷光信　議員（民主党）、熊谷大　議員（自民党）、山本博司　議員（公明党）、柴田巧　議員（みんなの党）
です。

CLIOで実験的に確かめられた熱雑音の低減実験の成果が、Physical Review Letters に掲載されます。
掲載に先立って、e-pring Archive に投稿されております。（T.Uchiyama et. al,）

東京大学の成果紹介ページも合わせてご覧ください。。

7月24日午後、朝日新聞社、東京大学宇宙線研究所の協賛で、重力波の研究に関
するサイエンスカフェが生放送されます。詳しくは、以下のHPをご覧ください。

朝日新聞　WEBRONZA