2018 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）を光輻射圧式キャリブレータ（PCAL）の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うこと、また正確な較正がもたらす重力波イベントの解析の精度評価とよりいっそうの解析高精度化を行う。このように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。
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PCALのインストールを完了させたことである。米国NISTで校正したLIGOの２次標準積分球を用い、KAGRA用に校正した標準積分球を作成した。
一方、ソフトウエア面では、KAGRAの時系列信号 h(t) の短時間での転送が、装置の設置された岐阜県飛騨市神岡鉱山のトンネル内から千葉県柏市の東大宇宙線研のサーバまで繋がり（遅延時間は約1.3秒）、さらに柏において同時に米国LIGO実験ならびに欧州Virgo実験のh(t)転送とも繋がった（遅延時間はそれぞれ10秒弱、16秒前後）ことである。
2019年度中に開始する予定のKAGRA観測運転が始まれば、これらの成果によって、国際的に比較可能な較正信号を出力し、１０秒程度の低遅延で国際ネットワークに加わることができる。本研究の前半における重要な成果である。
解析関連では、KAGRA実験のデータを受け取り、解析計算を行うために、計算機クラスタのオペレーティングシステムとサーバーの各ノードの構成の改修をおこなった。また、検出器応答の較正エラーを考慮した重力波波形解析の評価と、波形注入シミュレーションが進められた。さらに、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は、昨年の発表論文の内容をさらに深化させ、第３世代検出器を想定した評価も行なった（宮本：博士論文）。
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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
KAGRA干渉計の両端の２カ所にPCALのインストールを完了させた。このPCALシステムは米国LIGOのシステムを参考にアップグレードさせたものであり、レーザーパワーは10倍の20Wを採用し、より大きなSN比が期待出来る。真空槽内も含む全ての光学系を完成させ、現在は雑音除去と試運転を行っている。さらにレーザーパワー絶対値を較正するため、米国NISTで校正したLIGOの２次標準積分球を用い、KAGRA用に較正した標準積分球を作成し、KAGRAサイトで用いる積分球との突き合わせが出来る計測系を構築した。残念ながら、日本の産総研ではレーザーパワー絶対値の国際評価に消極的でこれを用いる事は断念したが、一方ではNISTでこの問題を取り上げることに成功し、本課題を取り上げたworkshopも開催されるに至った。
一方で、新しく重力場変調を用いたキャリブレータ(GCAL)を考案し、論文を発表した。GCALとPCALの組み合わせで、PCALの欠点であるレーザーパワー絶対値の不確定性を補うことができるというものであり、今後は複数のキャリブレータの組み合わせで絶対精度を確保していく方針である。
較正信号の転送パイプラインを整備し、米国LIGO実験とも低遅延で接続された。このことは較正の国際標準を目標とする本研究にとって、非常に大きな進捗である。
さらに較正信号h(t)を解析する研究も着々と進んでいる。大阪市大における計算機クラスタを以前からの資産に本研究に必要な性能を付け加えて使用しているが、現時点では、イベント探索解析に最終的に必要な計算能力が不足している、LIGOで用いているソフトウエアとオペレーティングシステム(OS)の互換性が不十分、という２つの問題があった。このため、本年度はOSを新しいものにアップグレードするとともに、計算ノード追加に適したように再構成をおこなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度はKAGRA実験が観測を開始し、いよいよ本研究の信号較正とデータ解析にとっても「本番」というべき状況を迎える。2019年4月に開始されたLIGO/Virgo O3(第３次観測）では、すでに週に１～２回程度のイベントが報告されており、本格的な重力波観測時代に入っている。この状況においては、低遅延での較正信号h(t)の生成と共有が観測国際ネットワークにとっては重要であり、また解析においても日本のグループが個性を発揮して寄与することが必要であり、まさに本研究の狙うところである。
インストールが成ったPCALの運用と、較正信号h(t)の再構築パイプラインの完成は急務であり、現在でも精力的におこなっているが、まずこれを完成させる。これらが一旦完成すると、各種の波形の系統誤差の評価が可能である。ここまでは2019年～2020年前半の課題である。
また並行してすすめる重力波イベント解析も進め、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、まず、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、GW170817やGW150914のような大きな信号で決定できる物理量の追求についてである。先般公開されたLIGOのO1,O2観測の再解析では、オフラインでのより精度の高い信号較正の結果、ブラックホールのスピンパラメーター推定などに有為にずれてしまったものがある。系統誤差の影響はまだきちんと理解されているとは言い難い。さらに、イベント検出効率についても多次元パラメーター空間内でどのような応答なのか精査されていない。前述の通り、O3においては多数のイベントが観測されつつあり、本研究が最初に課題とした多数統計での解析・系統誤差の影響が、天体物理学的にも有益な検討になるので、これを推進する。
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