日本の重力波望遠鏡「KAGRA」被災状況の詳細が判明　能登半島地震の影響

2015年に「重力波」の観測に成功して以降、現在の天文学は重力波を宇宙の観測手段とする段階に入っています。岐阜県飛騨市に設置された大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」は、重力波の詳細な観測を行うため、他国の重力波望遠鏡と連携していました。

しかし、2024年1月1日に発生した「令和6年能登半島地震」でKAGRAの装置の一部が損傷を受けたことが判明し、詳細な被災状況が2月5日に報告されました。現時点では具体的な時期は未定なものの、KAGRAは2025年1月の共同観測期間終了前までに観測運転を再開することを目標としています。

【▲図1: 神岡鉱山坑道内に設置されたKAGRAの一部（Credit: 東京大学宇宙線研究所 & 国立天文台）】

■「重力波」は本格的な天文観測の手段となりつつある

1915年にアルベルト・アインシュタインが提唱した一般相対性理論では、重力に関する様々な現象が予言されていました。その中でも最後まで観測による証明ができていなかったのが、「重力波」と呼ばれる時空の “さざ波” です。重力波が初めて観測されたのは2015年のことであり、奇しくも提唱からちょうど100年で最後の “宿題” が解かれた形です。

観測自体が困難であった重力波は、その検出器である重力波望遠鏡の改良によって、現在ではただ観測するだけでなく観測データから天文現象の詳細を考察する段階に入っています。重力波は光 (電磁波) で見通すことのできない場所でも通過することができるため、ブラックホール同士の衝突や誕生直後の宇宙など、これまで観測ができなかった天文現象に切り込む強力な手段として重視されています。

ただし、重力波という弱いシグナルを検出することは相変わらず困難であり、複数の重力波望遠鏡で観測することは観測データの精度を高める上で重要です。また、地球の複数の地点に重力波望遠鏡を設置すると、重力波の到達時間のわずかなズレをもとに発生場所を精度よく絞り込めます。このため、世界各地に重力波望遠鏡を設置し、共同で観測することが重要です。

大規模な重力波望遠鏡は、これまでにアメリカの2か所に設置された「LIGO」と、イタリアに設置された「Virgo」があり、発生場所の絞り込みに最低限必要な数である3か所を満たしています。しかし発生場所の特定精度を上げるには、最低でももう1か所での観測が望まれます。

■大規模で繊細な重力波望遠鏡「KAGRA」

【▲図2: KAGRAは、神岡鉱山の地下約200mに掘り進められたトンネル内に設置されています。L字型の “腕” の長さは3km以上あります（Credit: 東京大学宇宙線研究所）】

日本に設置された「KAGRA」は、LIGOやVirgoと同程度の規模と性能を持つ重力波望遠鏡です。岐阜県飛騨市の神岡鉱山の地下に設置されたKAGRAは、長さ約3kmの距離で設置された鏡の間を約500回往復するレーザーによって重力波を捉えます。

レーザーは光の波長が揃っており、波の山や谷が同じように重なり合っているため、通常はお互いに影響を及ぼしません。しかし、重力波が通過すると空間がわずかに伸び縮みするため、波の山や谷の重なりがずれます。すると、光が強めあったり弱めあったりする「干渉」という現象が起こります。この干渉を捉えることで、重力波を検出することができます。

ただし、重力波による空間の伸び縮みの長さは原子核よりもずっと小さなものであるため、非常に繊細な調整が求められます。特に、レーザーを反射する鏡の位置は非常に重要です。KAGRAの場合、常に生じている地面からの振動の影響を最小限に抑えるため、地質的に安定した神岡鉱山の地下深くに設置するだけでなく、サファイア製の鏡に振り子構造の防振装置を設置しています。また、物質を構成する原子は温度が高くなるほど激しく振動していますが、この振動自体もノイズとなります。KAGRAはサファイア鏡を冷却することで原子の振動を抑えており、そのことを強調するために大型低温重力波望遠鏡と呼称されます。さらに、装置そのものは空気の影響を避けるために真空中に置かれています。