Center of Gravity


By Lee Billings L. ビリングズ
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Gravitational waves—ripples in spacetime produced by merging black holes, colliding neutron stars, detonating supernovae and other cosmic cataclysms—have sparked a revolution in astrophysics. First observed in 2015, a century after Albert Einstein predicted their existence, these elusive whispers in the fabric of reality are already revealing otherwise hidden details of the exotic objects that produce them. Studies of gravitational waves have provided researchers with the first direct evidence that black holes exist, produced new estimates of the cosmic expansion rate, and shown that neutron stars are the main sources of the universe’s supply of gold, platinum and other heavy elements. Eventually they could allow researchers to glimpse the universe as it was in the first fractions of a second after the big bang.  ブラックホールの合体や中性子星の衝突,超新星爆発といった宇宙の大変動で生じた時空のさざ波,重力波が宇宙物理学に革命を起こしている。アインシュタイン(Albert Einstein)が存在を予言してから100年後の2015年に初めて観測されたこれらのとらえにくい信号は,それを生み出した風変わりな天体に関し,他の手段では知りえない詳細をすでに明らかにしつつある。重力波の観測はブラックホールの存在について初の直接の証拠を提供し,宇宙膨張のスピードについて新たな推定値をもたらし,宇宙で金や白金その他の重元素を生じた主な源が中性子星の衝突・合体であることを示した。最終的には,ビッグバンから1秒もたっていない宇宙最初の姿を垣間見ることさえもできるだろう。
The forefront of this promising future can be found in a subterranean complex of darkened tunnels. There more than 200 meters below Mount Ikenoyama in the Gifu prefecture of central Japan, an international team of scientists, engineers and technicians is finishing almost a decade of steady construction, readying the Kamioka Gravitational-Wave Detector (KAGRA) to begin operations by the end of this year. Soon KAGRA will join the world’s three other active gravitational-wave detectors—the twin stations of the U.S.-based Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Hanford, Wash., and in Living­ston, La., and the Advanced Virgo facility near Pisa, Italy. KAGRA’s location in Japan and orientation with respect to LIGO and Virgo will independently check and enhance those detectors’ observations, allowing researchers to better measure the orientations and spins of merging black holes and neutron stars.  この有望な研究の最前線を,地下の暗いトンネル施設に見ることができる。岐阜県北部,池ノ山の地下200mを超える場所で,国際チームが10年近く慎重に進めてきた建設の仕上げとして,「KAGRA」(かぐら;神岡重力波検出器)の2019年内稼働に向けた最終準備にあたっている。既存の重力波観測装置3基〔米国のワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンにある2基のLIGO(レーザー干渉計重力波天文台)とイタリアのピサ近郊にあるアドバンストVirgo〕にKAGRAが加わると,地球上の位置と向きの違いから,観測した重力波を独立にチェックできるほか,発生源となった合体ブラックホールや中性子星の方角と自転などの計測が向上するだろう。
Collectively, this quartet of detectors will reach new heights of sensitivity and precision, finding fainter gravitational-wave events than ever before and pinpointing their celestial coordinates with unprecedented acuity for follow-up with conventional telescopes. Here selected photographs capture some of the final technical preparations before KAGRA is unleashed on the sky.  4基の検出器は全体として,感度と正確さを一段と高め,よりかすかな重力波をとらえ,発生源の天球座標をこれまでにない鋭さで特定して既存の望遠鏡によるフォローアップ観測につなげることができる。ここに示した写真は,観測開始直前のKAGRAにおける最終準備の様子だ。
To find gravitational waves, KAGRA relies on the same method used by LIGO and Virgo, a technique called laser interferometry. In this approach, a laser beam bounces between mirrors suspended at the ends of two pipelike vacuum chambers. The chambers are several kilometers long and oriented perpendicularly to each other, forming what looks like a giant L. The laser acts as a measuring stick, revealing when a passing gravitational wave briefly stretches and shrinks spacetime, altering the chambers’ lengths (and thus the total distance a beam of light travels).  KAGRAはLIGOやVirgoと同じく,「レーザー干渉法」という技法によって重力波を検出する。2本のパイプ状の真空容器の端に鏡をつるし,その間でレーザービームを反射させる。長さ数kmの真空容器が直角をなして巨大なLの字のように配置され,レーザーが物差しの役割を果たして,重力波の通過に伴って真空容器の長さが瞬間的に伸縮する(したがってレーザービームが伝わる総距離が変わる)のをとらえる。