物理学者が重力波検出器の研究を続けるためにNSF補助金を授与しました。

2023年3月に、LIGO（Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）が4年間の観測期間を開始する予定です。 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の現場の科学者たちは、過去2年間に検出器の感度を高めるためにハードウェアとソフトウェアのアップグレードに投資し、以前よりも多くのイベントを検出するために「弱い」重力波を検出することができました。 。

同時に、Advanced LIGOチームのメンバーは、数年前の将来の観測期間のために継続的に改善作業を進めています。 ステファンW.バルマー芸術および科学大学の物理学教授は、LIGO検出器の設計と構築を支援したチームの一員でした。

これを続けるために、Ballmerは最近$ 555,000を受け取りました。 国立科学財団（NSF）交付金 重力波天体物理学のための検出器技術の資金援助の更新、次世代検出器用サスペンション用アクチュエータ、および光学キャビティミスマッチ検出技術の開発

この賞はまた、ハンフォードの現場にあるElenna Capoteを含むBallmerの博士課程の学生を支援し、センサーが設計どおりに機能するようにセンサーの位置合わせと制御システムを調整するのに役立ちます。

「この検出器は、4つの主ミラーと30の吊り鏡を整列させ、光の共鳴を維持するために長さを制御する数千の制御ループを備えた複雑な機械です」とBallmerは言います。 「変更するたびに実際に再調整する必要がある新しい検出器になります。」

LIGOの動作原理

LIGOは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から1900マイル離れた場所にある干渉計と呼ばれる巨大なレーザー探知機のペアを使用しています。 各検出器には2.5マイルの長さの2つの真空アームが含まれています。 つまり、互いに垂直に接続されたチューブです。 強力なレーザービームが2つに分割され、腕に送信されます。 端にあるミラーは、レーザービームが分割された場所に光を反射します。 腕の長さが同じであるため、光が各トンネルの終わりからミラーに移動して戻ってくるのにまったく同じ時間がかかります。 しかし、重力波が地球を通過すると、ミラー間の距離が変化し、光線が異なる時間に戻ります。

2つのビームを比較することで、LIGOは重力波による時空間の伸びを測定できます。 これは、ほぼ13億光年離れた2つの衝突ブラックホールによって生成された重力波の最初の物理的な確認で、2015年に初めて行われた画期的な観測です。

バルマーによると、長さ2.5マイルの腕でレーザー出力が高いほど、科学者は腕の動きをより正確に決定できます。 しかしながら、利用可能なレーザ出力の量は、現在検出器の光学系の欠陥のために制限されている。 「検出器から戻ってくるレーザーの光学位相前面は、ミラーの熱効果によって歪むことがあります」と彼は言います。

LIGOのイノベーション

物理学の大学院生であるElenna Capote（前）とVarun Srivastava（後）がワシントン州LIGO Hanfordで現場作業をしています。

バルマーは、科学者が原因と結果を判断できるように、検出器の熱歪みを記録する診断カメラを開発しています。 彼はプロトタイプカメラが以前の賞を受賞して開発されましたが、「この継続的なサポートは、そのカメラを展開して小型化し、現場でより使いやすくするためです」と述べています。

この賞はまた、MIT科学者との協力研究を支援し、より重い質量を使用するように現在の検出器のテスト質量サスペンションを再設計します。 「ランダムな到着光子は、テスト質量を周囲に押し込むので、テスト質量が重いほど、光子によってランダムに当たると動きが少なくなる」と、Ballmer氏は説明する。 「重いテスト質量に移動することは、低周波感度を高める方法です」

以前の研究は、ミラーのための新しいコーティングに焦点を当てていました。 現在、補助金に基づいて、Ballmerはこれらのコーティングを検出器に組み込むための研究開発も模索しています。 「新しいコーティングは熱ノイズがはるかに低いですが、検出器の一部の補助レーザ周波数では機能しません。 したがって、ミラーコーティングを変更するには、検出器に別の変更が必要であるため、この賞を受けて進行中のR&Dは、新しいタイプのコーティングと互換性のある新しい検出器システムのプロトタイプを作成することです」と彼は言います。

5番目または6番目の観察サイクルでLIGO検出器をアップグレードするために使用されることに加えて、Ballmerは、これらの開発を次世代検出器のベースラインとして使用できると述べています。

バルマーは、高級LIGOの10倍の感度を持つ第3世代探知機を計画するプロジェクトであるCosmic Horizo​​n Explorer Studyのシニア研究者でした。 Cosmic Explorerは、ブラックホールと中性子によるマージの検出範囲を宇宙距離まで拡張します。 「私たちは実際に宇宙で形成された最初の星で起こる合併を見るでしょう」と彼は言います。

100ページ分の研究は、プロジェクトのNSF資金調達決定の次のステップを教えてくれます。 「私たち全員が最も遠く、最も古い光の銀河を見せているJames Webb望遠鏡のこの美しいイメージを見ました。 Cosmic Explorerを使用すると、初期の銀河でブラックホールのマージが発生したときに見ることができます」と彼は言います。

ステファンW.バルマーについて

Ballmerは2010年にSyracuse Universityに加わりました。 LIGOのノーベル賞受賞作業に貢献した功労で、彼は重力波天体物理学時代の検出器技術を支援するために2013年NSF CAREER Awardを受賞し、5年間で86万ドルの研究資金を提供しました。

2021年10月、バルマーは アメリカ物理学会会員 （APS）、Advanced LIGO探知機の設計と試運転、観察の科学的解釈、第3世代重力波探知機の開発のリーダーシップ、次世代重力波実験者のメンタリングに対する彼の重要な役割を認めています。

スイス生まれのBallmerは、東京大学で客員副教授を務めました。 日本国立天文台の博士後研究員。 CaltechのRobert A. Millikan Fellowship。 彼は博士号を取得しました。 MITでは、スイスのETH Zurichで修士号を取得しています。 航空愛好家のバルマーは、レジャー時に飛行を楽しんで、計器飛行インストラクターであり、商用パイロットライセンスを持っています。