中性子星連星合体の観測を可能にする重力波信号のパラメトリック増幅装置の開発

• 研究課題/領域番号: 17H02886
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 宗宮 健太郎 東京工業大学, 理学院, 准教授 (10582603)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2017年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 重力波 / 光バネ / 非線形光学 / 干渉計 / 信号増幅 / パラメトリック増幅 / 中性子星連星 / 光干渉計 / 量子雑音 / 宇宙物理 / 量子光工学 / 超精密計測

研究成果の概要

2015年に米国LIGO望遠鏡が初観測に成功して以来、50例に及ぶ重力波の観測が報告されている。そのうち数例が中性子星連星の公転運動がもたらす重力波であると考えられている。中性子星連星は、合体時に4-5kHzのバースト信号を生むと考えられているが、現行の望遠鏡はその帯域の感度が悪いため、鮮明な観測は不可能である。本研究では、望遠鏡に非線形光学素子を組み込み、オプトメカ結合を増強することで、4-5kHzの感度を大幅に向上する技術を開発している。4年の研究期間内に、信号リサイクル干渉計と光共振器実験を構築し、信号増幅の検証と伝達関数測定によるオプトメカ結合の観測に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

重力波の初観測以降、次世代望遠鏡の計画が世界各地で始まっている。我々が全世界に先駆けて実施したパラメトリック信号増幅は国際的な注目をあび、ここ数年で類似の提案が相次いだ。そして、いくつかのプロトタイプ実験が行われ、次世代望遠鏡にそれらの技術を組み込むかどうかの議論が活性化している。現行の第二世代までは、欧米日の望遠鏡が同じ周波数帯での高感度化を目指したが、次世代では、それぞれが特徴を発揮して、さまざまな望遠鏡が実現していくだろう。本研究がもたらした意義はとても大きいと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Quantum noise reduction techniques in KAGRA (2020)
  • 著者名/発表者名: Somiya Kentaro
  • 雑誌名: The European Physical Journal D 巻: 74 号: 1 ページ: 10-10
  • DOI: 10.1140/epjd/e2019-100471-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and experimental demonstration of a laser modulation system for future gravitational-wave detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kohei、Kokeyama Keiko、Michimura Yuta、Enomoto Yutaro、Nakano Masayuki、Ge Gui-Guo、Uehara Tomoyuki、Somiya Kentaro、Izumi Kiwamu、Miyakawa Osamu、Yamamoto Takahiro、Yokozawa Takaaki、Fujikawa Yuta、Fujii Nobuyuki、Kajita Takaaki
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 号: 20 ページ: 205009-205009
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab4489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of nonuniformity in sapphire substrates for a gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Somiya K.、Hirose E.、Michimura Y.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 8 ページ: 082005-082005
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.082005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct approach for the fluctuation-dissipation theorem under nonequilibrium steady-state conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Kentaro Somiya, Masaki Ando, Stefan W. Ballmer
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97 号: 10 ページ: 102001-102001
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.102001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Particle swarm optimization of the sensitivity of a cryogenic gravitational wave detector (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Kentaro Komori, Atsushi Nishizawa, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kazuhiro Hayama, Kentaro Somiya, Masaki Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97 号: 12 ページ: 122003-122003
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.122003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of optical losses in a high-finesse 300 m filter cavity for broadband quantum noise reduction in gravitational-wave detectors (2018)
  • 著者名/発表者名: E. Capocasa, Y. Guo, M. Eisenmann, Y. Zhao, A. Tomura, K. Arai, Y. Aso, M. Marchio, L. Pinard, P. Prat, K. Somiya, R. Schnabel, M. Tacca, R. Takahashi, D. Tatsumi, M. Leonardi, M. Barsuglia, and R. Flaminio
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 98 号: 2 ページ: 022010-022010
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical design and suspension system of the KAGRA output mode-cleaner (2018)
  • 著者名/発表者名: Junko Kasuya、John Winterflood、Ju Li、Kentaro Somiya
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 957 ページ: 12009-12009
  • DOI: 10.1088/1742-6596/957/1/012009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mirror actuation design for the interferometer control of the KAGRA gravitational wave telescope (2017)
  • 著者名/発表者名: Michimura Yuta , Shimoda Tomofumi , Miyamoto Takahiro , Shoda Ayaka , Okutomi Koki , Fujii Yoshinori , Tanaka Hiroki , Barton Mark A , Takahashi Ryutaro , Aso Yoichi , et al.
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 34 号: 22 ページ: 225001-225001
  • DOI: 10.1088/1361-6382/aa90e3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory (2017)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration、ほか
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2018 号: 1 ページ: 1-23
  • DOI: 10.1093/ptep/ptx180
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Current status of the intracavity OPO experiments at Tokyo Tech (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Somiya, S.Otabe, and K.Harada
  • 学会等名: LIGO AIC meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 次世代重力波検出器に向けた非線形光学効果を用いた信号増幅システムの開発V (2020)
  • 著者名/発表者名: 小田部荘達、宗宮健太郎、原田健一
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 次世代重力波検出器に向けた非線形光学効果を用いた信号増幅システムの開発IV (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田健一、小田部荘達、宗宮健太郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Study of the inhomogeneity in a sapphire substrate for KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Somiya and E.Hirose
  • 学会等名: GR22/Amaldi13
• [学会発表] Optical parametric amplification using nonlinear optical effect for the next generation gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Harada, S.Otabe, and K.Somiya
  • 学会等名: GR22/Amaldi13
• [学会発表] Development and installation of the output mode-cleaner for KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: S.Otabe, R.Nakashima, and K.Somiya
  • 学会等名: GR22/Amaldi13
• [学会発表] 次世代重力波検出器に向けた非線形光学効果を用いた信号増幅システムの開発III (2019)
  • 著者名/発表者名: 小田部荘達, 宗宮健太郎, 原田健一
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 次世代重力波検出器に向けた非線形光学効果を用いた信号増幅システムの開発IV (2019)
  • 著者名/発表者名: 原田健一, 小田部荘達, 宗宮健太郎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Parametric signal amplification for a high-frequency gravitational detector (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Harada, S.Otabe, and K.Somiya
  • 学会等名: "Challenges and Opportunities of High Frequency Gravitational Wave Detection"
• [学会発表] Development of the signal amplification system using a nonlinear optical effect for the next generation gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: S.Otabe, K.Harada, and K.Somiya
  • 学会等名: "Challenges and Opportunities of High Frequency Gravitational Wave Detection"
• [学会発表] 重力波望遠鏡における部分反射鏡の内部の非一様性が引き起こす問題の検証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宗宮健太郎, 廣瀬栄一
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 磁石懸架を用いた光干渉計の制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島良介, 宗宮健太郎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] KAGRA+ (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Somiya
  • 学会等名: GWADW meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Active media and unstable filters: Commonalities and difference (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Somiya
  • 学会等名: GWADW meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 重力波検出器の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宗宮健太郎
  • 学会等名: 産業計測第36委員会 第429回研究会
  • 招待講演
• [備考] Somiya Lab.
  • URL: https://www.gravity.phys.titech.ac.jp
• [備考] Somiya Lab.
  • URL: http://www.gravity.ircs.titech.ac.jp/index.html
• [備考] Somiya lab.
  • URL: http://www.gravity.ircs.titech.ac.jp/