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アインシュタインからの宿題に答え、 宇宙の果てを見る「KAGRA」


アインシュタインからの宿題に答え、 宇宙の果てを見る「KAGRA」

この記事の要点は…
重力波とは質量の重い天体の動きで生じる時空の揺れ

宇宙の成り立ちを探っていくプロジェクト

カミオカンデ以来の技術・経験が結実

かのアインシュタインが予言した「重力波」――。人類が100年かかってようやく手がかりをつかんだ宇宙の謎を解明するため、世界各国で重力波を観測するための施設が建設されてきた。日本が開発したのは、大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」。東芝は主要部品「クライオスタット」の設計・製作・試験でプロジェクトに加わっている。「KAGRA」に求められた先端技術、精度を紹介し、天文学に新境地を開く重力波観測の一端に迫る。

ノーベル賞を生みだしたニュートリノ観測装置「スーパーカミオカンデ」と同じ岐阜県飛騨市・神岡鉱山(KAmioka)にあり、重力波(GRAvitational Wave)を観測することから「KAGRA」。そもそも重力波とは、超新星爆発、中性子星同士の合体などによって質量の重い天体が動いた際、周囲の空間のゆがみが波のように伝わる現象。アインシュタインが相対性理論に基づいて100年前に存在を予言していたものの、実在の証明がなされないままだった。

太陽のような大きな質量の天体が衝突/合体することで重力波が発生しても、これで生ずるゆがみは極めて微小なもの。地球から太陽の距離(約1億5,000万km)の間で、水素分子1個分動くかどうか――このわずかなゆがみをどうやって捉えるのか。「KAGRA」は、アインシュタインが出した宿題への、日本からの回答。東京大学宇宙線研究所が主導し、東芝など多くの企業が参画した共同研究プロジェクトである。

KAGRA L字状に広がる長さ3kmのトンネルには2本の真空パイプが設置されている。このパイプ内をレーザー光が往復。そこで生じるわずかな差を干渉計で検出して重力波を確認する仕組み

L字状に広がる長さ3kmのトンネルには2本の真空パイプが設置されている。このパイプ内をレーザー光が往復。そこで生じるわずかな差を干渉計で検出して重力波を確認する仕組みだ。

極低温、超高真空技術をフルに活用し、微細な重力波を検出する機器を開発

まずは、数キロメートルに及ぶという重力波望遠鏡について、東芝のプロジェクトを率いた原子力先端システム設計部 井岡氏に解説していただこう。

「KAGRAは片側3kmの真空パイプをL字型に2本つなげたもの。わずかな揺れも観測の障害になるため、振動が少ない地下200m以上のトンネル内に設置されています。このパイプの中にレーザー光を飛ばし、重力波によるごくわずかな空間のゆがみを捉えるのです」

観測の精度でポイントになるのは、東芝が設計・製作・試験に携わった『クライオスタット』という装置だ。

KAGRA クライオスタットは2重の輻射シールドの内部を摂氏マイナス253度まで冷やすことで、観測に用いるサファイアミラーが熱の影響を受けないようにしている。

クライオスタットは2重の輻射シールドの内部を摂氏マイナス253度まで冷やすことで、観測に用いるサファイアミラーが熱の影響を受けないようにしている。

「真空パイプ内でレーザー光を反射するサファイアミラーは、熱振動を減らすため、マイナス253度にまで冷却する必要がある。また、レーザー光の揺らぎを低減するため、装置を真空状態に維持する必要があります。私たちが目指したのは10のマイナス7乗パスカル、いわゆる超高真空の状態です。」(井岡氏)

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