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。
