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宇宙の声が聞きたくて ―重力波観測とその未来 東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 博士課程2年
正田亜八香
今日のお話
• 自己紹介
• 重力波って何だろう？
• どんな研究をしているの？
• 研究ってどんなもの？
頑張ってノートをとる必要はありません。 テストには出ません。
いつでも何でも質問して下さい。
自己紹介 正田 亜八香（しょうだ あやか）
1987年 東京生まれ
自己紹介 正田 亜八香（しょうだ あやか）
1987年 東京生まれ 2000年 桜蔭中学 入学
中1：天文気象部 中2～高2：英語劇部 高3: 演劇有志＠文化祭
趣味：ダンス、演劇、読書
※本業は研究です！
自己紹介
2006年 東京大学 理科Ⅰ類 入学
入学した最初は学部は決まっていない
2008年 東京大学 理学部 物理学科 進学
高2の頃、あるブルーバックスに出会う
2010年 東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 進学
修士課程：2年 博士課程：3年
現在 博士課程2年
物理学科のなかみ
滑車とかバネとか…?
世の中（自然）は どんな仕組みで動いているのか？
根本には何があるのか？
おっきいのからちっちゃいのまで
宇宙
物性
素粒子
それぞれに 理論屋さんと 実験屋さんが います。
コレが アツイ
（個人的に）
宇宙は全てわかったか？
かんじんなことは、 目に見えないんだよ 『星の王子様』より
だから、話を聞こう
星の声＝重力波！
そもそも重力って何だ
アイザック・ニュートン (1642-1727)
万有引力
すべてのものは引き合っている
重力があると
似てる？？
重力がある ＝ 空間が歪む
物体が動いたら？
…波が立つ =
新しい観測手段！ 重力波＝宇宙の音、声
宇宙の新しい観測手段
• 「見ている」だけではわからない事が「聞こえる」
• ほとんどさえぎられない
超新星爆発
中性子星
ブラックホール
138億年後
38万年後
WMAP
0.000…01秒後
宇宙はどうやってできたのか？ （背景重力波）
ダークエネルギー
ダークマター
宇宙は何でできているのか？
そもそも相対性理論は正しいのか？
フロンティア！ 相対性理論の検証
星を見る （天文学）
宇宙のしくみ （物理学）
中性子星 ブラックホール
超新星爆発
背景重力波
重力波が来たらどうなるの？
重力波が来たら
x
y
z 重力波
重力波が来ると時空が歪む→距離が変わる
この距離の変化を 読み取ればいい！
どれくらい変わる？
Q: 天の川銀河の中で 中性子星が合体 地球と太陽の間の距離は どれくらい変わる？
3. 水素原子1個分 1. 月1個分 2. 東京ドーム1個分
150,000,000km
3,500km 250m 0.0000001mm
耳をすませば
観測できたら どんなかんじ？
シミュレーションby辰巳大輔(国立天文台)
マイクを作ろう！
精密に測るために
光を利用する
電球 レーザー
バラバラの光がでる 綺麗にそろった光がでる
レーザー干渉計
レーザー光源
レーザー干渉計
光った！！
波がそろってる
レーザー光源
レーザー干渉計
暗い！！
波が打ち消す
レーザー光源
ということは
x
y
z 重力波
重力波が来ると時空が歪む→距離が変わる
明暗が 変わる！！
信号は音になる
時間 [秒]
明るい
暗い
時間 [秒]
明るい
暗い
重力波の信号
シミュレーションby辰巳大輔(国立天文台)
中性子星
時間[秒]
明るい
暗い
x
y
z 重力波
大型干渉計
3~4 km!! レーザー
ビーム スプリッタ
鏡 鏡
順天高校
世界各地に
KAGRA （かぐら）
LIGO Hanford （ライゴ）
GEO600 （ジオ)
Virgo （ヴァーゴ）
LIGO Livingston
雑音との闘い
Q: うるさいのは誰！？
• 地面の揺れ • 熱の揺らぎ • 熱雑音 • 回路の雑音 • センサーの雑音 • 空気のゆらぎ
A: みんなうるさい
今の検出器から聞こえる音は…
• レーザー光の雑音 • 光の量子性雑音 • 磁場による雑音 • 電場による雑音 • 重力による雑音 • 駆動系による雑音
いろんな工夫が！
全部聞こえる？
高音 低音
中性子星 ブラックホール
背景重力波
地上の干渉計が 聞こえる範囲
低い音を聞くために
宇宙に持っていく
DECIGO
1,000km
5,000,000km
LISA
宇宙への第一歩
SWIMmn
私のやっている事
低音のための新しい検出器
x
y
z 重力波
x
y
z 重力波
干渉計 ねじれ振り子
ブラックホールなど、 低周波重力波に 感度を持つ
ねじれ振り子型重力波検出器
20cm
まだ試作段階（大学にある） ＝小さくて感度もよくない
設計図から自分で書きます
（工作は専門の 技師さんがやって
くれます）
Torsion-bar Antenna (TOBA)
実験装置
70cmくらい
観測しました
今やっている事
今のよりもう1段階大きいのを作る！
夢!! 重力波が聞こえれば、いろんなことがわかるはず！
（できれば自分の検出器で）星たちの声が聞こえますように☆
backups
研究者のたまごの毎日
実験したり・・・
研究者のたまごの毎日2
設計したり・・・
研究者のたまごの毎日3
計算したり・・・
研究者のたまごの毎日4
いよいよ論文書いたり・・・！！！
成果を持って学会へ • 弘前大学 • 京都大学 • 甲南大学 • 岡山大学 • 関西学院大学 • 九州工業大学 など…
海外に行くことも
研究者になって思う事
• 基本的に自由です ＝好きな事が好きなだけできます
逆に、自分でやらなきゃ何も始まらない
• つらい事もたくさんあります。
でもきっと他の職業も辛い事たくさんあるはず…
• 将来は不安です
• 面白いと思えるなら、最高の職業だと思います
（主観的意見ですが）
参考文献
興味を絶やさないこと 科学は常に進化しています
参考文献
もっと手を動かしたい人は
火傷に注意！
興味を絶やさないこと 科学は常に進化しています
今みんなにもできる事
Einstein@home 詳細は資料参照
1. Einstein@homeの公式サイト に行く
2. download BOINC 3. インストールして
コミュニティなどを登録。 (プロジェクトに“Einstein@ home”を選んでおけばOK)
4. 完了！！
重力波のデータ解析、みんなのパソコンでも手伝ってください！
重力波の信号を探すの、パソコン1つじゃ大変だから…
ラッキーな人は 何か見つけた人には表彰などしてくれるそうです。 論文にもなります。
とはいえ 広く興味を持つことが大事だと思います
さいごに
おしまい！
backup
他分野への応用
高精度時計の開発 量子光学への応用
重力理論の検証 空間等方性の検証
最初の重力波検出器
共振型重力波検出器
Weberが重力波を発見した と報告!!(1969)
重力波が来ると、物体に 力がかかり、震える。
坪野公夫 スライドより
でも
その後、誰も観測出来ていない。 結局違ったのでは、という事で終結…
しかし！ 彼の報告によって重力波検出器 開発が発展
現在主流の検出器：
レーザー干渉計型重力波検出器 ドップラートラッキング パルサータイミング
重力波がある証拠
中性子星の連星が回転する スピードが落ちていく
何もなければ 落ちないはずなのに、
なぜ？？
重力波があると思って 計算するとピッタリ！！
By ハルス、テイラー（1993年ノーベル物理学賞）
世の中全て波だらけ
全ての信号は、波に分解できる。
フーリエ変換という
波のいろいろ
正弦波
周期(T)
1秒間に何回ふるえるか＝周波数
振幅 スペクトル図 ＝どの周波数にどれだけの 振幅の波があるか
波のいろいろ
音と周波数
高音 低音
波のいろいろ2
三角波
波のいろいろ4
ランダム雑音
現在の感度
30Mpc(～10億光年)先くらい まで見える
雑音との闘い
Q: 聞こえないのは周りがうるさいから！ うるさい子は誰！？
• 地面の揺れ • 熱の揺らぎ • 熱雑音 • 回路の雑音 • センサーの雑音 • レーザー光の雑音 • 光の量子性雑音 • 磁場による雑音 • 電場による雑音 • 重力による雑音 • 駆動系による雑音
A: みんなうるさい
雑音源
地面振動
地面の揺れ
地面は常に揺れている
波
地下水
人・動物
電車・車
吊るします
振り子にすると、共振周波数より高い 周波数では振動が減衰する
雑音源
熱雑音
熱雑音
温度がある＝運動している
鏡の表面や、吊るしている糸も動く
良い機材を使う＋冷やす
散逸の少ない鏡を使う
揺れがひとつの周波数に集中 してくれて、他の周波数では 感度がよくなる
数10K (-260℃)まで冷やす
揺れ自体が小さくなる
雑音源
光のショットノイズ
光の量子的ノイズ
ハイゼンベルグの不確定性原理
光は波であり、同時に粒子である （量子力学）
粒子の位置と運動量は同時に決まらない
センサー
光 （レーザー）
光を強くする
これからの感度
~300 Mpc (100億光年)遠くにある 中性子星連星が見える。
年に5回(1~20回)くらい 観測されるハズ！