ジオ600

ジオ600

場所	ザルシュテット、ヒルデスハイム、ニーダーザクセン州、ドイツ
座標	北緯52°14′49″ 東経9°48′30″ / 北緯52.2469° 東経9.8083° / 52.2469; 9.8083
組織	LIGO 科学協力
波長	43 km (7.0 kHz)～10,000 km (30 Hz)
構築済み	1995年9月～ （1995年9月～）
望遠鏡スタイル	重力波観測所 マイケルソン干渉計
直径	600 メートル (1,968 フィート 6 インチ)
Webサイト	詳しくはこちら
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GEO600は、ドイツのハノーバーから南に20キロ（12マイル）離れた町、ザルスタット近くにある重力波検出器です。マックス・プランク重力物理学研究所、マックス・プランク量子光学研究所、ライプニッツ・ハノーバー大学の科学者、英国のグラスゴー大学、バーミンガム大学、カーディフ大学によって設計・運用されており、マックス・プランク協会と科学技術施設評議会（STFC）の資金援助を受けています。

GEO600は、 50Hzから1.5kHzの周波数範囲の重力波を検出することができ、 ^[1]世界的な重力波検出器ネットワークの一部です。^[2] この機器と姉妹の干渉計検出器は、動作時には、これまでに設計された中で最も感度の高い重力波検出器の1つです。これらは、太陽から地球までの距離と比較した単一の原子のサイズにほぼ相当する10 ⁻²¹オーダーの距離の相対的な変化を検出するように設計されています。プロジェクトの建設は1995年に始まりました。^[3]

2020年3月、 COVID-19パンデミックにより、LIGOやVirgo（2020年4月にはKAGRA ）などの他の重力波観測所の運用が停止を余儀なくされたが、GEO600は運用を継続した。^[4]

2023年現在^{[アップデート]}、GEO600は重力波観測運用を続けている。^[5]

1970年代には、ドイツのハインツ・ビリング率いるグループと英国のロナルド・ドレーヴァー率いるグループの2つのヨーロッパのグループが、レーザー干渉計による重力波検出の調査を開始した^[6]。1975年にミュンヘンのマックス・プランク天体物理学研究所が3メートル（9.8フィート）のアーム長のプロトタイプから始め、1983年にはガルヒングのマックス・プランク量子光学研究所（MPQ）で30メートル（98フィート）のアーム長のプロトタイプが完成した。1977年にはグラスゴー大学の物理学および天文学部が同様の調査を開始し、1980年には10メートル（33フィート）のプロトタイプの運用を開始した。^{[7] [8]}

1985年、ガルヒンググループは3キロメートル（2マイル）のアーム長を持つ大型検出器の建設を提案し、イギリスのグループも1986年に同等のプロジェクトを提案した。両グループは1989年に協力し、北ドイツのハルツ山地が理想的な場所と考えられ、GEOプロジェクトが誕生した。しかし、財政上の問題でこのプロジェクトは資金提供されなかった。そのため1994年に、ハノーバー近郊の低地に600メートル（2,000フィート）のアーム長を持つ小型検出器GEO600が提案された。このイギリスとドイツの重力波検出器の建設は1995年9月に始まった。^{[8] [9]}

2001年にポツダムのマックスプランク重力物理学研究所（アルベルト・アインシュタイン研究所、AEI）がMPQのハノーバー支部を引き継ぎ、2002年からはAEIとライプニッツ・ハノーバー大学の共同重力物理学センターが、グラスゴー大学とカーディフ大学と共同で検出器を運用している。2002年以来、GEO600はLIGO検出器と同時にいくつかのデータランに参加した。^[8] 2006年にGEO600は設計感度に到達したが、現在までに信号は検出されていない。次の目標は、2016年までに残りのノイズをさらに約10分の1に減らすことである。^{[10] [11] [更新が必要]}

GEO600はマイケルソン干渉計です。長さ600メートル（2,000フィート）の2本のアームで構成され、レーザービームが2回通過するため、有効光学アーム長は1,200メートル（3,900フィート）になります。主要な光学部品は、圧力が10 ⁻⁸ mbar未満の超高真空システム内にあります。^[1]

精密な測定を行うには、光学系を地面の動きや環境からのその他の影響から隔離する必要があります。このため、地上に設置された干渉計型重力波検出器はすべて、ミラーを多段振り子として吊り下げています。振り子の共振周波数を超える周波数では、振り子は振動に対して優れた隔離を提供します。GEO600 のすべての主要な光学系は、ミラーを水平面の振動から隔離するために、三段振り子として吊り下げられています。最上部と中間の質量は、垂直方向の動きに対して隔離するカンチレバー スプリングから吊り下げられています。最上部の質量には、振り子をアクティブに減衰させるために使用される 6 つのコイル磁石アクチュエータがあります。^[12] さらに、サスペンション ケージ全体が圧電結晶の上にあります。結晶は「アクティブ地震隔離システム」に使用されます。これにより、サスペンション全体が地面の動きと反対方向に移動され、地面の動きが打ち消されます。^[13]

GEO600の主鏡は、直径18センチメートル（7.1インチ）、高さ10センチメートル（3.9インチ）の溶融シリカの円筒形である。ビームスプリッターは、直径26センチメートル（10インチ）、厚さ8センチメートル（3.1インチ）の寸法で、高出力経路で唯一の透過型光学部品であるため、特殊グレードの溶融シリカで作られている。その吸収は、1センチメートル（0.39インチ）あたり0.25 ppm未満であることが測定されている。^[14]

GEO600 は、次世代の地上重力波検出器で使用される予定の多くの高度な技術とハードウェアを使用しています。

• モノリシックサスペンション：ミラーは振り子のように吊り下げられています。副鏡には鋼線が使用されていますが、GEOの主鏡はいわゆる「モノリシック」サスペンションから吊り下げられています。これは、ワイヤーがミラーと同じ材料、つまり溶融シリカで作られていることを意味します。その理由は、溶融シリカは機械的損失が少なく、損失はノイズにつながるからです。^[15]
• 静電駆動装置: ミラーを所定の位置に維持し、位置合わせするにはアクチュエータが必要です。GEO600 の二次ミラーにはこの目的のために磁石が接着されています。二次ミラーはコイルで動かすことができます。磁石をミラーに接着すると機械的損失が増加するため、GEO600 の主ミラーでは静電駆動装置 (ESD) が使用されています。ESD はミラーの裏側にある電極の櫛状構造です。電極に電圧をかけると、不均一な電界が発生します。ミラーはこの電界に力を感じます。
• 熱ミラー駆動システム：ヒーターのシステムが最東端のミラーに設置されています。加熱されると、ミラーに熱勾配が現れ、熱膨張によりミラーの曲率半径が変化します。ヒーターにより、ミラーの曲率半径を熱的に調整できます。^[16]
• 信号のリサイクル: 干渉計の出力にある追加のミラーは、エンドミラーとともに共振空洞を形成し、潜在的な信号を増加させます。
• ホモダイン検出（「DC読み出し」とも呼ばれる）^[17]
• 出力モードクリーナー（OMC）：フォトダイオードの前の干渉計の出力部にある追加の空洞。その目的は、重力波信号を運ぶ可能性のない光を除去することです。^[18]
• スクイージング：ビームスプリッターの暗ポートにスクイージング真空を注入する。スクイージングを使用すると、GEO600の700Hz以上の感度が1.5倍向上する。^[19]

他のプロジェクトとのさらなる違いは、GEO600 にはアーム キャビティがないことです。

重力波歪みの感度は通常、振幅スペクトル密度（ASD）で測定されます。この単位でのGEO600のピーク感度は、600 Hzで2 ^{×10 −22} 1/ √Hzです。 ^[20]高周波では、感度は利用可能なレーザー出力によって制限されます。低周波側では、GEO600の感度は地震の地盤動によって制限されます。

2005年11月、 LIGOとGEOの観測機器が長期にわたる共同科学観測を開始したことが発表された。^[21] 3つの観測機器（LIGOの観測機器は米国ルイジアナ州リビングストン近郊とワシントン州ハンフォードサイトに設置されている）は、調整と更新のための休止期間を挟みつつ、1年以上にわたってデータを収集した。これはGEO600の5回目の科学観測であった。以前の観測では信号は検出されなかった。

2015年9月14日の重力波の最初の観測は、2016年2月11日にLIGOとVirgo干渉計の共同研究によって発表されました^{。[22] [23]}しかし、当時イタリアのVirgo干渉計は稼働しておらず、GEO600はエンジニアリングモードであり感度が不十分であったため、信号を確認できませんでした。 ^{[23] [24]} GEO600は2015年9月18日にAdvanced LIGOと同時にデータの取得を開始しました。^[24]

2009年1月15日、ニューサイエンティスト誌は、GEO600検出器の測定に存在していた未確認のノイズは、検出器の各部の位置に影響を与える極めて小さな時空の量子ゆらぎにこの装置が敏感なためかもしれないと報じた。 ^{[25]この主張は、}フェルミ国立加速器研究所の科学者クレイグ・ホーガンが、ホログラフィック原理に触発された、このようなゆらぎがどのように発生するかという独自の理論に基づいて行ったものである。^[26]

ニューサイエンティストの記事によると、ホーガンは2008年6月にGEO600共同研究チームに「ホログラフィックノイズ」の予測を送り、その後「私の予測と全く同じ」過剰ノイズのグラフを受け取ったという。しかし、ホーガンはそれ以前に実験で過剰ノイズが発見されたことを知っていた。2008年5月にフィジカルレビューD^{に掲載されたホーガンの記事には次のように書かれている。 [27]}

予測されたホログラフィックノイズと、GEO600 で説明できないノイズがほぼ一致していることから、さらなる研究が促進されます。

ホーガンは、GEO600コラボレーションによる2007年の講演を引用しているが、そこでは既に「中帯域の『謎の』ノイズ」について言及されており、ノイズスペクトルがプロットされている。^[28] 2007年10月に提出され、2008年5月に発表されたGEO600の論文でも同様の発言があった。^[29]

100 Hz から 500 Hz の間の領域では、 すべてのノイズ投影の無相関の合計と実際に観測された感度との間に矛盾が見られます。

重力波検出器が過剰なノイズを発見し、その後除去することは非常によくあることです。GEO600の主任研究員であるカルステン・ダンツマン氏によると、^[25]

こうした実験の感度を向上させるための日々の業務では、常に何らかの余分なノイズが発生します [...]。私たちはその原因を特定し、それを取り除き、次の余分なノイズの発生源に取り組むよう努めています。

さらに、干渉法におけるホログラフィックノイズのレベルに関するいくつかの新たな推定値は、その大きさがホーガンが主張したよりもはるかに小さいことを示している。^[30]

メインフォトダイオードの出力だけでなく、補助レーザービーム、マイク、地震計、加速度計、磁力計、すべての制御回路のパフォーマンスを測定するフォトダイオードなど、多数の二次センサーの出力も記録されます。これらの二次センサーは、診断や干渉計の出力に対する環境の影響の検出に重要です。データストリームは、ボランティアが自分のコンピューターで実行できるソフトウェアである 分散コンピューティングプロジェクト「 Einstein@home 」によって部分的に分析されます。

2011年9月から、VIRGOとLIGOの両方の検出器がアップグレードのために停止され、GEO600が重力波を探索する唯一の稼働中の大規模レーザー干渉計となった。^[31] その後、2015年9月に、先進的なLIGO検出器がオンラインになり、最初の観測ラン「O1」で、一部の種類のソース（例：中性子星連星）に対して初期LIGOの約4倍の感度で使用され、低い可聴周波数でピーク放射を持つ大規模なシステムに対してははるかに高い感度が使用された。^{[32]これらの先進的なLIGO検出器は、}ガブリエラ・ゴンザレスをスポークスマンとするLIGO科学コラボレーション の下で開発された。 2019年までに、新しい先進的なLIGO検出器の感度は、元のLIGO検出器の少なくとも10倍になるはずである。^{[更新が必要]}

• 重力放射
• 重力波天文学と重力波の初観測：GW150914、GW151226、GW170104
• フェルミ国立加速器研究所ホロメーター
• インドで計画されている重力干渉計検出器INDIGO
• 宇宙に設置されたESA重力波検出器eLISA
• 欧州重力干渉計検出器VIRGO
• TAMA 300、日本の重力干渉計検出器
• 宇宙に設置された中国の重力波検出器「宇宙太極計画」

ウィキメディア・コモンズには、 GEO600に関連するメディアがあります。

• GEO600 ホームページ、GEO600 プロジェクトの公式 Web サイト。
• Cardiff Gravity Group Archived 2013-05-01 at the Wayback Machineには、GEO 600 プロジェクトでの共同研究を含む、ウェールズのカーディフ大学での研究について説明したページがあり、重力波放射に関する優れたチュートリアルのリストが含まれています。
• エイモス、ジョナサン。重力波に乗る科学。2005 年 11 月 8 日。BBC ニュース。
• LIGO マガジンは、LIGO 科学コラボレーションによって年に 2 回発行され、多様なメンバー グループの最新の研究、ニュース、人物について詳しく説明しています。この Web サイトから PDF 形式で無料でダウンロードできます。