2017 Fiscal Year Annual Research Report
Calibration Standard and High-Precision Data Analysis toward the Observational Era of Gravitational Waves
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17H06133
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
神田 展行 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50251484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都丸 隆行 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 准教授 (80391712)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 重力波観測 / 相対性理論 / データ解析 / レーザー干渉計 / 宇宙物理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、レーザー干渉計型重力波検出器の較正（キャリブレーション）を、励起用レーザー光源の強度を正確に較正することで国際標準化を行い、またそれと並行して重力波イベントの解析の精度評価とより高精度化を行う。こうしたハードウエアとソフトウエアの両面で重力波観測時代にめざすサイエンスを研究するものである。
本年度の主な研究実績は、ハードウエア面では、重力波検出器KAGRAにおけるフォトンキャリブレーター（レーザー光の輻射圧で鏡に変位を与える方式）装置のインストールが進み、光学積分球によるレーザー強度標準較正システムの構築が進んだ。またソフトウエア面では、重力波信号 h(t) の再構築を中心に、デジタルフィルタの実装などが進んだ。KAGRA実験のデータを本研究で使用する計算機へ転送・処理するソフトウエア部分も完成度を高め、安定して運転している。以上により、本研究の目指す重力波検出器の較正の標準化、信号再現の高信頼性に向けて着実に進捗していると言える。
オフラインのデータ解析では、種族III星の存在有無を重力波観測より確かめる解析方法についての論文を発表した。種族I,II星のみであるか、それとも種族III星も存在するかを、尤度解析に基づいて定量的に述べる手段を提案した。その結果、例としてあるモデルにおいては、検出数22イベントで信頼度90%で種族III星の有無を判別できるという予想であった。この解析では質量・距離の決定精度という形で信号較正の周波数依存性の系統的な効果が反映される。さらに、重力波到来方向の決定に関する精度の見積もりも複数の手段で進められている。このデータ解析の研究は、本研究における目的である解析の高精度化へ向けて進めている。
このように計画初年度は当初予定の通りに順調に進捗している。いままでのところ、予定外の困難な問題などは生じておらず、次年度も引き続き計画を推進する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は本研究のハードウエア部分であるフォトンキャリブレーターのKAGRAへのインストールが大きく進捗した。このフォトンキャリブレーターにおいて使用する励起用レーザー光の強度を正確に測るための光学積分球を調達し、強度測定の作業標準（ワーキングスタンダード）の構築が進んだ。この積分球のシステムは、長期にわたる運転と、海外の重力波実験との相互較正に用いられる。
また AIST（産業技術総合研究所）の研究協力者の協力を得てレーザー光の絶対強度測定を行うが、そのための装置の調達などが着実に進められた。
重力波信号を精度よく再現する時系列信号の較正については、KAGRA実験の制御系に組み込まれたソフトウエアの開発が進められた。この開発は、研究協力者や本科研費で雇用したポスドク研究員らによって順調に進められた。2017年度末～2018年度初頭におけるKAGRAの試験運転(Phase-I)において用いられる。また、KAGRAの観測データの転送系も改良を行い、長期観測に対応したソフトウエアを構築した。
重力波イベントの解析では、種族III星（Population III）の存在有無を重力波観測より確かめる解析方法の研究で進捗があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、本研究計画の中盤にかかり、重力波検出器ネットワークにおいて本研究に密接に関わる事項が予定されている。一つはKAGRAの運転・高感度化に合わせて、フォトンキャリブレーターの動作が予定されている。またKAGRAが米国LIGO実験の観測に合わせて運転すれば、本研究における励起用レーザーの強度較正が重要になる。国内機関であるAISTの協力や、米国LIGOの研究協力者との連携を一層強めて計画を進める。
2017年8月には初の中性子星連星合体からの重力波 GW170817 の発見を受けて、重力波波形の精密測定の重要性は周辺研究者らにも実感を伴って認識されつつある。代表者も招待講演などで解説した。本研究の今後の推進としても、重力波波形の精度と物理パラメーターの決定精度をより詳しく検討することが重要である。とくに力を入れたいポイントとして、(1)較正の誤差および伝搬とパラメータ推定における非線形効果、(2)GW170817やGW150914のような大きな信号で決定できる物理量の追求（具体的には、中性子星連星では潮汐効果、ブラックホール合体では総質量とスピンパラメータ）、(3)多数統計時の系統誤差の影響、である。特に(1)は先行するLIGO等の研究でもまだ線形モデルが中心であり、今後にとって有益な検討になる。
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