「私にとって、方程式ははるかに重要です。政治は現在の問題に過ぎませんが、方程式は永遠なのですから。」 by A.Einstein

What is GW

According to Einstein's general theory of relativity, a mass generates a curvature of space-time. If the mass takes asymmetrical motion, the distortion of the space-time will propagate at the speed of light as waves. This is the Gravitational Wave (GW). The general theory of relativity predicts that GWs can go through anything without loss. The gravitational wave group is trying to directly detect GWs and is eager to construct Gravitational Wave Astronomy.

Motivations to detect GWs

The visible light is the only method for the humankind to observe the nature for many years. Owing to the discovery of electro-magnetic waves and X-rays, the instant communication, the information exchange, the visualization in the body were realized. Consequently, the humankind could obtain completely new and a large amount of knowledge. After these discoveries, an infrared light, an ultraviolet light and gamma ray were also discovered and utilized as the observation method. The history tells us that new worlds were always exposed to us every after a new method was discovered. By the way, these "waves" are a family of the electro-magnetic waves whose sources are charge. On the other hand, GWs are generated from the motion of mass, that is different with charge. If GWs can be a method to observe the Universe, we expect to see another new world that cannot be observed by the electro-magnetic waves.

At present, our scientists expect the following outputs from the GWs direct detection from the astronomical objects,

- Verification of the general theory of rerativity.
- The birth of the Universe using GW background.
- Observation of physics under extremely strong gravity.

GW sorces

Nobody ever succeeded to directly detect GWs, like the electro-magnetic wave detection using metal antennas. The reason is because the mass of star is required to generate strong GWs to be detected by the human being. Although we can generate GWs, for example swinging your arm, we have no way to detect such small amplitude GWs.

Consequently, we have no way but to expect astronomical stars and events as GW sources. One of such events is the supernova. The supernova is the dramatic explosion of stars at the end of life of the star. Almost mass of the star will be lost during the explosion, and this drastic change of mass is the source of GWs.

(Gravitational Waves Generation)

A neutron star is the extremely heavy compact object that has about 10km radius, but 1.4 solar mass! Heavy stars are expected to leave neutron stars after the supernova explosion. A few of neutron stars are known to form binary system with the other neutron star. Such binary neutron star orbital motion can be one of GW sources.

(重力波の効果)

How to detect GWs

(検出方法)

ちょっと難しくなりますが、重力波検出器の検出能力（つまり「感度」）が具体的にどのように表現されるかと言うと（図：必要な検出器感度）のように横軸が重力波の周波数、縦軸が重力波で起こった腕の伸縮の大きさを腕の長さで割ったもの（ひずみ）で表します。現在の重力波検出器は、大体重力波周波数100Hzでひずみの大きさが10^-22〜10^-23という非常に小さなものを検出可能です。

(必要な検出器感度)

(世界の観測装置)

KAGRA Project

KAGARはまず、神岡鉱山内という極めて地面振動が少なく、温度・湿度の安定な環境に設置されます。実は地面は、風や打ち寄せる波、地球自身の固有な振動で常に振動しています。それが地下に潜ることにより低減され、神岡鉱山内の振動は地上の1/100まで小さくなっています。このことは重力波検出装置を長時間運転し、観測する上で大きな利点となっています。実際同じ神岡鉱山内に設置された、規模は２０メートルサイズと小さめですが、光が走る距離を大型干渉計並みに似せたプロトタイプ検出器では極めて簡素な制御のみで、当時の複雑な制御系を組み込んだどの大型検出器も達成できていないかった１週間以上の連続運転が可能であることが示されました。

(CLIO)

またKAGRAでは、検出器にサファイアという光学素子を使用し、かつそれをマイナス253℃（ちなみに、物理の法則上、これ以上冷やせない温度、つまり絶対0度はマイナス273.15℃です。）まで冷却することで検出器の感度を制限していた熱雑音をさらに低減することを目指しています。そのプロトタイプとして、すでに同じ神岡鉱山内にCLIO（Cryogenic Laser Interferometer Observatory）（図：CLIOレーザー干渉計）検出器を建設し、低温鏡を利用した検出器の実証実験が行われています。写真は鏡を冷却するための装置です。鏡を冷却するには、液体ヘリウムではなく、電気で動く冷凍機というものが使われます。冷凍機は神岡の静粛な環境を台無しにする振動を発生させるのですが、KEKと住友重機械工業の努力で、世界最低振動の冷凍器が開発され、CLIOで使用されています。（図：東芝製鏡冷凍用真空タンク）

(東芝製鏡冷凍用真空タンク)