LA、LIVINGSTON-宇宙から見ることができるほど大きい建物から約1マイル1.5分、道路上のすべての車が減速してクロールします。運転手は10 mph（16 km / h）の制限速度を非常に真剣に受け止めることを知っています。これは、これまで試みられた中で最小の規模で天体の振動を探している巨大な探知機が建物に設置されているためです。当然のことながら、通過する車の鳴り響きから地球の反対側の自然災害まで、周囲のあらゆる地球の振動に敏感です。
その結果、LIGO（レーザー干渉計重力波天文台）検出器の1つで作業する科学者は、異常な長さでノイズのすべての潜在的な発生源を突き止めて除去する必要があります-検出器の周りのトラフィックを遅くし、地上で、振動を最小限に抑える四重振り子システムから機器を吊り下げます-地球上で最も「静かな」振動スポットを作成するためにすべての努力をしています。
「すべてがノイズハンティングに関するものです」とルイジアナ州のLIGO検出器の検出器エンジニアリンググループリーダーであるJaneen Romieは言いました。
なぜLIGOの物理学者は、ノイズをなくし、地球上で最も振動のない場所を作ることにこだわっているのですか？それを理解するには、重力波とは何か、LIGOがそもそも重力波をどのように検出するかを知る必要があります。一般相対性理論によれば、空間と時間はアインシュタインが時空と呼んだ同じ連続体の一部です。そして、時空では、急速に加速する巨大な物体が重力の波を生み出す可能性があり、それは小石が池の表面に落とされたときに外側に放射される波紋のように見えます。これらの波は、宇宙自体の生地の伸縮を明らかにします。
測定装置が同じ変化を経験するとき、時空自体の変化をどのように測定しますか？独創的な解決策は、干渉計として知られているものです。それは重力波が垂直方向に沿って収縮しながら、一方向に沿って時空を伸ばすという事実に依存しています。水に浮かぶブイを考えてみましょう。波が通過すると、波は上下に揺れます。地球全体に放射する重力波の場合、すべてが上下ではなく、わずかに前後に振動します。
LIGOの検出器は、レーザー光源、ビームスプリッター、いくつかのミラー、および光検出器で構成されています。光はレーザーを出て、ビームスプリッターによって2つの垂直ビームに分割され、干渉計のアームを下って等距離に進み、2つのミラーに向かいます。そこで、光はアームの下に反射されます。次に、両方のビームが検出器に当たります。検出器は、反射鏡の1つと向かい合っています。重力波が干渉計を通過すると、アームの一方がわずかに長くなり、もう一方がわずかに短くなります。これは、ある方向に沿って空間を伸ばし、別の方向に沿って圧縮するためです。この非常に小さな変化は、光に当たる光のパターンに記録されます。検出器。 LIGOのコラボレーションWebサイトによると、LIGOの感度レベルは「人の髪の毛の幅よりも小さい精度で最も近い星（約4.2光年）までの距離を測定すること」に相当します。
LIGOのポスドク研究員であるオプトメカニクスまたは光と機械システムとの相互作用を研究しているカールブレアは、毛髪の幅の波を検出できるようにするために、科学者たちはこの細かく調整されたセットアップへの潜在的な妨害を排除するために極端な長さまで進んでいます。
まず、2.5マイル（4 km）のアームは、世界で最も完璧な真空の1つにあります。つまり、ほとんど分子を含まないため、ビームの経路に干渉するものはありません。検出器は、データの乱れを測定して削除するあらゆる種類のデバイス（地震計、磁力計、マイク、ガンマ線検出器など）にも囲まれています。
ブレア首相は、重力波信号を妨害したり、誤って重力波信号として解釈されたりする可能性のあるものもすべて捜査し、排除する必要があると述べた。これには、検出器自体の欠陥-ノイズと呼ばれるもの-または機器によって拾われる非天体物理学的障害-グリッチと呼ばれるものが含まれます。物理学者は、検出器のミラーを構成する原子の振動や、電子機器内の電流のランダムな変動についても考慮する必要があります。より大きなスケールでは、グリッチは、通過する貨物列車からのどの渇きのワタリガラスに至るまで、さまざまなものです。
そして、グリッチを見つけるのは本当にトリッキーです。 Arnaud PeleがLIGOの検出器エンジニアリングチームに加わったとき、彼は特に厄介な外乱がどこから来ているのかを解明する任務がありました：重力波検出器の周りの地面の動きを測定する機器は一定のスパイクを記録し、誰もいませんでした理由はわかっていました。数か月にわたる犬ぞりをした後、彼は犯人を見つけました：換気システムの下で地面といくつかの機械式ばねの間に控えめな岩が引っかかっていました。岩のせいで、ばねは人工呼吸器の振動が検出器に現れるのを妨げることができず、謎の信号を引き起こしました。 「これは私の仕事の本当に楽しい部分であり、この探偵の仕事をしている」とペレは言った。 「ほとんどの場合、それはシンプルなソリューションです。」宇宙の遠方からの非常に小さな振動の探索では、実際の仕事は地球にまで及んでいます。
最も重要なのは、おそらく3つの検出器があることです。ルイジアナに1つ、ワシントン州ハンフォードに1つ、イタリアに3つあります。「本物だとしたら、すべての検出器で同じに見える必要があります」とLIGOコラボレーションメンバーは述べています。 Salvatore Vitale、MITの物理学の助教授。貨物列車や、ばねの下にある岩の場合は、3つの検出器のうちの1つにのみ表示されます。
これらすべてのツールといくつかの非常に高度なアルゴリズムを使用して、科学者は信号が実際に重力波である可能性を定量化できます。また、特定の検出の誤警報率や、正確な信号が誤って表示される可能性を計算することもできます。たとえば、この夏の初めのイベントの1つでは、誤警報率が20万年に1回未満であり、非常に説得力のある候補になりました。しかし、最終的な評決が出るまで待つ必要があります。
この記事の報告は、全米科学財団からの助成金によって部分的にサポートされていました。
