New directions in gravitational-wave data analysis: both in computing algorithms and hardwares including its outreach activities

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01901
• Research Institution: Osaka Institute of Technology
• Principal Investigator: 真貝 寿明 大阪工業大学, 情報科学部, 教授 (30267405)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 弘毅 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (40419693) ; 伊藤 洋介 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (60443983) ; 鳥居 隆 大阪工業大学, ロボティクス&デザイン工学部, 教授 (00360199) ; 西口 敏司 大阪工業大学, 情報科学部, 准教授 (80362565) ; 島野 顕継 大阪工業大学, 情報科学部, 准教授 (20351463)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 一般相対性理論 / 重力波 / データ解析 / 分散コンピューティング / アウトリーチ活動

Outline of Annual Research Achievements

本研究は「日本発の重力波データ解析法」の開発を目的として，(A)新たな重力波の抽出方法の開発，(B)新たな波源のパラメータ推定法についての手法提案，(C)分散コンピューティングなど計算資源の確保，の3つの柱を設定した．また，アウトリーチ活動も研究計画に含めている．初年度(2019年度)には，(A)に関しては，自己回帰モデル法・Hilbert-Huang変換法などの新たな手法を用いてノイズに含まれる重力波信号を抽出する手法を開発し，テストデータを作成して比較した．(A)(B)に関しては，独立成分解析法を用いたKAGRAの実データ解析を行った．いずれも原著論文として出版済み・掲載決定となっている．
本研究代表の真貝は，2019年8月より日本の重力波KAGRAプロジェクトの科学部門の代表を継続して引き受けることになった．KAGRAは，米欧LIGO/ Virgoの重力波プロジェクトと実観測・解析に関する協定に調印し，2020年2月末より実観測を開始した．重力波の実データ解析を行う準備が整い，本研究も予定通り新たな手法を応用する段階に入る．研究分担者の伊藤はKAGRAのバースト重力波解析の責任者として，高橋は3プロジェクト間のデータアクセス担当者として，日本の重力波プロジェクトの一翼を担うことになった．
初年度の研究成果は，論文発表５，国際会議・研究会発表16，国内会議・研究会発表14，一般向け講演・講義18，専門書翻訳出版１，雑誌への寄稿１，取材協力１である．社会への成果還元については，個々の研究分担者が講演会や出張講義・解説文掲載などで多方面に展開しているが，2020年3月には，本研究代表が中心となって，KAGRA内で教育・一般アウトリーチ活動(EPO)グループを組織し，LIGO/Virgoとのリソース共有の合意を得た．我々のアウトリーチ活動は，米欧とも協調する道筋が整った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り，進展している．本研究で開発したコードを，国内研究者で共有できるよう，KAGALIライブラリに組み入れる準備もほぼ整えた．実データを用いた解析の準備も整えた．また，まだ成果には到達していないが目的(A)(B)両者に関わるスパースモデリングを応用する手法についても画像解析のテストコード使用まで行った．目的(Ｃ)の分散コンピューティング環境の構築については，予定通り2年目から行う．
初年度に計画したもののうち，修正重力理論での予想される波形モデルなどの理論計算は，まだ発表段階に至っていない．重力波の実解析後に必要となる新たな視点を提供するものとして注力していきたい．

Strategy for Future Research Activity

2年目は，項目(A)と(C)を中心に進める．初年度に成果発表まで至った自己回帰モデル法・Hilbert-Huang変換法・独立成分解析法などの新たな手法を，特に検出例の多い連星ブラックホール合体に注目して実データに応用する研究を進める．リングダウン重力波と呼ばれる波形の解析から，強い重力場の理論検証にもつながる解析手法を整える．また，分散コンピューティングを行うためのサーバを大阪工業大学情報科学部に設置し，稼働・運用に関する準備を進める．
項目 (C)に関しては，分散型コンピューティング環境のインターフェースを整え，アウトリーチ活動への土台をつくる．令和２年度中には，高校生 ・一般を対象にした「重力波解析研究教材」および「重力波解析アプリケーション」の開発を行い，周波数解析をキーワードにして，高校数学と物理を結び，音声のスペクトル解析などから学べるキットを作成する．そして次年度以降，天文教育業界を通じて，高校やプラネタリウムな どでの試用を行う準備を進める．

Research Products

• [Journal Article] Dark matter signals on a laser interferometer (2020)
  • Author(s): S. Tsuchida, N. Kanda, Y. Itoh, and M. Mori
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 101 Pages: 023005
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.023005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of various methods to extract ringdown frequency from gravitational wave data (2019)
  • Author(s): H. Nakano, T. Narikawa, K. Oohara, K. Sakai, H. Shinkai, H. Takahashi, T. Tanaka, N. Uchikata, S. Yamamoto, T. S. Yamamoto
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 99 Pages: 124032
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.99.124032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A time-frequency analysis of gravitational wave signals with Non-Harmonic Analysis (2019)
  • Author(s): K. Yanagisawa, D. Jia, S. Hirobayashi, N. Uchikata, T. Narikawa, K. Ueno, H. Takahashi, H. Tagoshi
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2019-6 Pages: 063F01-1-25
  • DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptz043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA (2019)
  • Author(s): T. Akutsu et al (KAGRA collaboration)
  • Journal Title: Classical Quantum Gravity Volume: 36 Pages: 165008
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab28a9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 火星移住計画と太陽系ツアーをテーマにしたPBL型授業 (2019)
  • Author(s): 藤元 章, 三橋 雅子, 谷 保孝, 田中 淳, 小島 夏彦, 鳥居 隆
  • Journal Title: 物理教育（物理教育学会） Volume: 67-4 Pages: 261-265
  • DOI: https://doi.org/10.20653/pesj.67.4_261
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Status of KAGRA (2020)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: LIGO-Virgo-KAGRA collaboration meeting, in remote style. March 12, 2020.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Introduction to Sparse Modeling (2020)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: 新学術領域研究「重力波物理学・天文学：創世記」_A01グループ 研究会, 2020/1/11
• [Presentation] L2正則化を導入した直並列型 Denoising Autoencoder を用いたバースト重力波解析におけるノイズ除去の基礎的検討 (2020)
  • Author(s): 林滉之, 酒井一樹, 高橋弘毅, 濱住啓之, 大前佑斗
  • Organizer: 信学技報, Vol.119, No.453, NC2019-91, pp.89-94, (2020). (電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会（NC）), 電気通信大学, 2020/3/5.
• [Presentation] 深層学習を用いた突発性ノイズの原因探索に関する研究 (2020)
  • Author(s): 上島元, 苔山圭以子, 小坂井千紘, 押野翔一, 高橋弘毅, 内山隆, 山本尚弘, 横澤孝章, KAGRA collaboration
  • Organizer: 日本物理学会（春）, 名古屋大学 東山キャンパス, 2020/3/16.
• [Presentation] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASI由来の重力波解析 (2020)
  • Author(s): 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 根岸諒, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • Organizer: 日本物理学会（春）, 名古屋大学 東山キャンパス, 2020/3/16.
• [Presentation] NHAによる時間周波数解析とディープラーニングを用いたノイズ環境下における重力波検出に関する研究 (2020)
  • Author(s): 布目喜裕, 長谷川昌也, 廣林茂樹, 高橋弘毅, 田越秀行
  • Organizer: 日本物理学会（春）, 名古屋大学 東山キャンパス, 2020/3/16.
• [Presentation] Brief Introduction of KAGRA collaboration (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: The 6th KAGRA International Workshop, Wuhan, China, June 21- 23, 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Latest status of KAGRA (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: The 22nd International Conference on General Relativity and Gravitation, Valencia, Spain, July 7-13, 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comparison of various methods to extract ringdown frequency from gravitational wave data (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: The 22nd International Conference on General Relativity and Gravitation, Valencia, Spain, July 7-13, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Basic Study of Noise Reduction on the Analysis of Burst Gravitational Waves by Direct and Parallel Denoising Autoencoder (2019)
  • Author(s): Hiroyuki Hayashi, Kazuki Sakai, Hiroyuki Hamazumi, Hirotaka Takahashi, and Yuto Omae
  • Organizer: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019), Seoul, Korea, p.97, August 26-29, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Status of KAGRA (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: LIGO-Virgo collaboration meeting, Warsaw, Poland, September 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ring-down GW wave search using Auto-Regressive model (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: YITP long-term workshop : Multi-Messenger Astrophysics in the Gravitational Wave Era, at Kyoto University, October 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ring-down waveform extraction by Auto-Regressive approach (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop, The University of Tokyo, October 14-17, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop, The University of Tokyo, October 14-17, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop, The University of Tokyo, October 14-17, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (4M-COCOS), Fukuoka, Fukuoka University, October 21-24, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (4M-COCOS), Fukuoka, Fukuoka University, October 21-24, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG), Kobe University, November 25-29, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Auto-regressive approach to find ring-down gravitational wave (2019)
  • Author(s): H. Shinkai
  • Organizer: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG), Kobe University, November 25-29, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • Author(s): R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • Organizer: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG), Kobe University, November 25-29, 2019.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Status of KAGRA (2019)
  • Author(s): Y. Itoh
  • Organizer: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG), Kobe University, November 25-29, 2019.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Application of the independent component analysis to the iKAGRA data (2019)
  • Author(s): J. Kume, T. Sekiguchi, S. Morisaki, Y. Itoh, and J. Yokoyama
  • Organizer: New Innovative Area Workshop 2019 Early Summer, Osaka City University, Osaka, 2019/6/29
• [Presentation] Status of KAGRA and gravitational wave data analysis (2019)
  • Author(s): Y. Itoh
  • Organizer: Lecture at National Central University, Taiwan, 2019/9/24
  • Invited
• [Presentation] ノイズに埋もれた微小信号波形の検出への変分オートエンコーダを用いた異常検知の応用 (2019)
  • Author(s): 森雅也, 中平勝子, 高橋弘毅, 田中貴浩
  • Organizer: 第18回情報科学技術フォーラム (A-009), 岡山大学 津島キャンパス, 2019/9/4.
• [Presentation] 自己回帰モデルを用いた重力波データ解析(2)：LIGO/Virgo O2までのカタログデータの解析" (2019)
  • Author(s): 真貝寿明
  • Organizer: 日本物理学会（秋）, 山形大学 小白川キャンパス, 2019/9/20.
• [Presentation] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASIモードからの重力波に対するデータ解析 (2019)
  • Author(s): 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • Organizer: 日本物理学会（秋）, 山形大学 小白川キャンパス, 2019/9/19.
• [Presentation] リカレントニューラルネットワークを用いた重力波観測データにおけるノイズ除去の検討 (2019)
  • Author(s): 酒井一樹, 高橋弘毅, 大原謙一
  • Organizer: 日本物理学会（秋）, 山形大学 小白川キャンパス, 2019/9/19.
• [Presentation] KAGRAアップグレードに向けたブラックホール準固有振動解析 (2019)
  • Author(s): 内潟那美, 酒井一樹, 高橋弘毅, 中野寛之, 成川達也
  • Organizer: 日本物理学会（秋）, 山形大学 小白川キャンパス, 2019/9/19.
• [Presentation] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASI由来の重力波解析 (2019)
  • Author(s): 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 根岸諒, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • Organizer: 第48回 日本物理学会 新潟支部例会, 新潟大学, 2019/12/21
• [Book] 演習 相対性理論・重力理論 (2019)
  • Author(s): A. P. Lightman他著，真貝寿明・鳥居隆訳
  • Total Pages: 576
  • Publisher: 森北出版
  • ISBN: 978-4-627-15641-8
• [Remarks] 重力波データ抽出方法の開発
  • URL: http://www.oit.ac.jp/is/shinkai/GWdata2019/index.html