新技術によりLIGOの宇宙観測能力を向上(New technique enables LIGO to peer farther into the distant universe)

2026-07-21 カリフォルニア大学リバーサイド校(UCR)

米国カリフォルニア大学リバーサイド校(UCR)の研究チームは、重力波観測装置LIGOの感度を向上させ、より遠方の宇宙現象を観測できる新たな熱画像計測技術を開発した。LIGOでは、約1メガワットに達する高出力レーザーを用いて極微小な時空のゆがみを測定するが、鏡がわずかにレーザー光を吸収して加熱されることでナノメートル規模の熱変形が生じ、観測精度を制限していた。研究では、赤外線サーモグラフィーで取得した鏡表面の温度分布と波面測定、熱伝導モデルを組み合わせ、鏡内部の光学的ひずみを高精度に再構成する手法を考案した。この情報を基に補正加熱を最適化することで、LIGO A+では最大31%の感度向上が期待され、中性子星連星合体を平均約1,000万パーセク(約3,300万光年)遠方まで検出可能になると見積もられている。市販の赤外線カメラを利用できる実用性の高い技術であり、次世代重力波観測施設Cosmic Explorerへの適用も想定されている。

<関連情報>

重力波検出器のレーザー出力限界を克服するためのエラー信号 Error signals for overcoming the laser power limits of gravitational-wave detectors

Liu Tao, Pooyan Goodarzi and Jonathan W Richardson
Classical and Quantum Gravity  Published: 16 July 2026
DOI:10.1088/1361-6382/ae86aa

新技術によりLIGOの宇宙観測能力を向上(New technique enables LIGO to peer farther into the distant universe)

Abstract

A major barrier to improving the quantum-limited sensitivity of gravitational-wave observatories is the thermal distortions of the test masses which arise at megawatt laser power. Recent advances in a new form of higher-order wavefront correction, in which corrective heating profiles are applied to the test mass surfaces near their edges, together with other planned instrumental upgrades, have the potential to enable a tenfold reduction of the quantum noise floor of future detectors. However, realizing high levels of quantum noise reduction in practice hinges on identifying measurable error signals to finely control each wavefront actuator, in order to suppress wavefront errors to a few-nanometer precision across the full mirror apertures. No direct source of such an error signal exists in Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) today. We demonstrate that thermally imaging the surface of each test mass, with a calibration provided by existing Hartmann wavefront sensors, can provide these critical error signals. We show that the surface temperature profiles obtained from thermal imaging can be uniquely mapped to a finite element model of the mirror whose complete thermal state is identified, enabling full-aperture wavefront reconstruction and direct error signals for real-time precision wavefront control. This new sensing capability can enable up to a 31% strain sensitivity improvement in LIGO A+ at 95% confidence, increasing the sky-averaged detection range for binary neutron star mergers by 10 Mpc, and will be integral to a next-generation 40 km gravitational-wave observatory in the U.S., Cosmic Explorer.

0300航空・宇宙一般
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