【會後報導】梶田隆章教授主講「重力波偵測-The KAGRA Project」

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■2015年甫出爐的諾貝爾物理獎得主梶田隆章教授於十二月21日蒞臨中央研究院物理所的演講,介紹了日本測量重力波的前沿研究,特別是KAGRA偵測器(神樂)偵測器的建造進度與營運目標,以及加入全球重力波網路的未來規畫。

講者|東京大學宇宙射線研究所 梶田隆章教授
撰文|中央研究院 國際研究生學程 博士候選人 黃士炘/中央研究院 物理所暨化學所 副研究員   章為皓

早在1916年,愛因斯坦提出廣義相對論一年之後,愛氏預測了重力波的存在。那麼重力波到底是什麼?或是說重力波可能是怎麼產生的?從古典電磁學出發,帶電粒子加速運動會放出電磁輻射。相同地,帶有質量的天體加速運動,會輻射出重力波。換言之,由能量或質量分布所決定的時空結構,將因著能量或質量分布的巨大擾動,產生漣漪般的波動。但是愛氏也同時也提到重力波可能太微弱,而恐怕無法觀測到,否則人類可能早從月球繞地獲知重力波的存在。

重力波的追尋,直接關乎廣義相對論的正確性和人類對時空的瞭解。從1920年起,興起追尋重力波的熱潮,然而四十年過去了,結果叫人沮喪,引出了爭辯不休的正反學說[1]。1969年似乎出現了報春訊的知更鳥。Joseph Weber 教授架設了數個相距千里鋁棒,應變靈敏度能達 \ 10^{-15} 數量級為的偵測器,首先捕捉到類似重力波的訊號。由於Weber 教授設施的靈敏度仍遠低於理論所需的靈敏度( \ 10^{-22} ~ \ 10^{-23} )[2],加上該觀察未能再現,物理學家們並未認為他們測到了重力波。

1974年,美國普林斯頓大學的Russell Hulse教授與Joseph Taylor教授發現了一對互相繞行的脈衝雙星系統PSR B1913+16 (脈衝星或稱波霎,指質量極大,體積極小,快速互繞,磁場極強,並以固定週期發出電磁波輻射的中子星。)這個上天恩賜的發現無疑是天文物理學家最期待的實驗場。他們觀察發現該雙星的公轉周期隨著時間的變小,而互繞速度隨著時間增加與廣義相對論預測雙星輻射出重力波小的數值相符。算是重力波存在的間接證據,該貢獻使他們兩位拿到了1993年的諾貝爾物理獎。但是重力波還是沒有被直接觀測到。

直接觀測重力波,對於宇宙起源,超大緻密星體(如黑洞,中子星,超新星)等研究,有重大意義。承如上述,由於傳播重力波的時空漣漪造成的應變非常的小(約 \ 10^{-23} ),儀器的靈敏度必須改進,信噪比也必須提高。為此,能夠提升靈敏度 \ 10^{-10} 取代了機械性的應變偵測裝置。之後雷射技術日新月異,雷射干涉儀偵測器遂成為追尋重力波的標準配備。目前世界上有主要的重力波雷射干涉儀偵測器為:美國的LIGO,法國與義大利的VIRGO,德國與英國的GEO600,澳洲的AIGO[4],以及這次演講的重點,日本的KAGRA。這些偵測器靈敏度的差異,不外乎是反映在工程上對於信噪比的改進程度。

梶田教授從東京大学宇宙線研究所的神岡宇宙射線研究設施(ICRR)的研發史提起,1987年超級神岡號計劃的通過,造就了世界最有名的兩個微中子大型偵測器之一的產生。從這個由礦坑構成的大水槽中,科學家得以得到一個隔絕外來射線的環境經由光電倍增管來測量粒子數量及質量變化。這些珍貴的微中子震盪研究也讓梶田隆章教授拿到了2015年諾貝爾物理獎的桂冠。

Super-K計劃本身雖與重力波無關,然而其成功說服了日本科學界ICRR的團隊能建造非常靈敏的重力波偵測器。最初期的雛形是2003年的TAMA300,為一台300公尺干涉臂的地面型干涉儀。由於地表上建築物的受限以及背景雜訊高,改轉為地下設施,2010年第二代偵測器CLIO誕生。這台100公尺干涉臂的地下化干涉儀的實驗成果證實了地下化的重要性及研發冷溫反射鏡以降低熱雜訊的必要性,2012年年底,KAGRA正式動工。但由於冬雪消融,位於地下兩百米深的隧道因浸水而進度落後,直到今年年底隧道挖掘才算正式完成。

KAGRA是(The Kamioka Gravitational Wave Detector)的簡稱,因其發音也被暱稱作「神樂」(神的樂器),為ICRR在岐阜縣飛騨市神岡町設置的大型低溫重力波望遠鏡(Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope; LCGT)主體。初期的KARGA(iKAGRA,initial KAGRA)是以邁克生干涉儀的設計來運轉,在2016年以後正式營運的KAGRA(bKARGRA,base KAGRA)除了在光路上加強雷射輸出功率外會以RSE(resonant sideband extraction)干涉儀的設計來運作[3]。RSE技術藉由,額外加入兩面調節鏡片(Power recycling mirror; Signal extraction mirror)以及Fabry-Perot干涉臂空腔設計,以增加光在每個光臂往返次數能保有更好的能源效率又不會影響訊號強度[5]。這個技術也是目前其他國家偵測器(如LIGO)正在追趕的方向。bKAGRA另一個突破是加入真空低溫生成系統以降低熱雜訊及抑制分子震動造成的誤差,以確保捕捉到的干涉差異是來自真正的重力波訊號。最後是資料分析中心(KARra Algorithmic Library,KAGALI)的設置,建構出完整的研究管線。

由於雷射干涉儀在地面上受限於地理限制,結合世界各地的重力波雷射干涉儀,可產生立體角效應,有如光學顯微鏡之數值孔徑定位和解析出重力波源在天空中的確切位置。因此梶田教授在KAGRA未來的規劃上提到整合全球的觀測網路可以增加資料的準確性。對於重力波的理解方面,KAGRA的資料也可以整合其他設施的研究(如測量微中子的超級神岡號Super-K)以獲得更大廣度的資訊。

在與聽眾的問與答中梶田教授說明了神樂的敏感度能夠對10赫茲以下的訊號在重力波通過後空間變化的比率(Strain)進行分析,是目前其他設施不能相比的。KAGRA的敏感度數據,顯示出當前重力波雷射干涉儀的設計正在往理想的「愛因斯坦重力波望遠鏡(Einstein GW Telescope)」數據接近中。我們期待未來bKAGRA正式營運後重力波的測量會變得越來越容易,且越來越準確。

References:
[1] 大霹靂的回音/郭兆林教授 台大演講
[2] 關於太初重力波你不能不知的18件事/梅賢豪博士 PanSci
[3] KAGRA project website
[4] 重力波偵測/游輝樟 物理雙月刊 2004年10月
[5] Power-recycled resonant sideband extraction interferometer with polarization detection. Beyersdorf PT,Kawamura S,Somiya K,Kawazoe F,Agüeros M. Appl Opt 2005 Jun 10;44(17):3413-24

 

延伸閱讀:梶田隆章教授主講「大氣層微中子研究微中子震盪」

 

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