日本学術会議・学術の大型研究計画 マスタープラン2020
天文学・宇宙物理学の大型計画

第１回大型計画に関する公開シンポジウム

宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO
安東 正樹 (東京大学 / 国立天文台)
DECIGO/B-DECIGO collaboration

第１回大型計画に関する公開シンポジウム (2018年9月13日, 東京大学, 東京)

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宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO

・B-DECIGO- 3機の宇宙機で構成された宇宙重力波望遠鏡- 重力波感度 2x10-23 Hz-1/2 at 0.1Hz.

絵: 佐藤修一

・観測目標(1) コンパクト連星合体の観測.
(2) 中間質量BH連星合体の観測.
(3) DECIGOへ向けたフォアグラウンドの理解.
JAXA戦略的中型ミッションとしての実現を目指す (2020年代).

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2背景

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地上重力波望遠鏡: 重力波天文学の幕開け
・2015年 : 米国の地上重力波望遠鏡 aLIGO による重力波初観測.
質量 ~30𝑀⊙ の連星ブラックホールの合体.
 相対論の検証, 連星ブラックホールの存在実証.
・2017年 : 欧州 AdVirgo が観測開始. LIGOとの3台同時観測.
 方向決定精度の向上 (~30deg2)連星中性子星合体イベントの初観測 (GW170817)
電磁波対応天体の発見との同時観測.
 さまざまな新たな知見 (次ページ).
・2019-20年 : 日本 KAGRA による観測開始.

 波源のパラメータ推定精度の向上.
・2020年代 : LIGO-India の観測開始.
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分かったこと、新たな疑問
・短ガンマ線バーストの起源.
- 連星中性子星合体と同時に観測された.
- しかし、暗すぎるという新たな疑問も生じた.
・重元素の起源- 数値シミュレーションによる光度曲線の予想と一致.
- どの程度が連星中性子星合体起源かは, 多くの観測例が必要.
・合体後に何ができたのかは不明.
- ブラックホールか中性子星か.
- 中性子星の状態方程式に対する知見.
・基礎物理や宇宙論に対する知見も得られた.

- 全く新しい手法で知見が得られた.
さらに多く, より精度の高い観測が必要.
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宇宙重力波望遠鏡
B-DECIGO

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宇宙重力波望遠鏡 B-DECIGO

・B-DECIGO- 3機の宇宙機で構成された宇宙重力波望遠鏡- 重力波感度 2x10-23 Hz-1/2 at 0.1Hz.

絵: 佐藤修一

・観測目標(1) コンパクト連星合体の観測.
(2) 中間質量BH連星合体の観測.
(3) DECIGOへ向けたフォアグラウンドの理解.

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7観測目標 (1) : コンパクト連星の合体
B-DECIGOでは, ~105 個/年 の連星合体イベントを観測.

インスパイラル合体の数か月~数分前

合体リングダウン合体の数分前~合体

低周波数  B-DECIGO
質量, 軌道, 方向, 合体予測.

高周波数  地上望遠鏡
状態方程式, 高エネルギー現象.

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8観測目標 (2) : 中間質量BHの合体
B-DECIGOでは, ほぼ宇宙全体の中間質量BH合体を見通す.

銀河中心の超巨大BH形成の謎.
(A) 大質量星の崩壊  降着(B) BHの階層的合体
・B-DECIGO の観測によって,決定的な証拠が得られる可能性.
・他の手段ではできない独自の観測.

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9感度の比較
T. Nakamura et al., Prog. Theor. Exp. Phys. 093E01 (2016)

LISA

Year
Month

第二世代重力波望遠鏡(aLIGO, AdVIRGO,KAGRA,…)
Day

Hour
Min

B-DECIGOSec

DECIGO

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ET10

連星合体の観測可能距離
B-DECIGOでの合体観測頻度:
連星中性子星 ~100 yr-1, 連星ブラックホール ~105 yr-1
SNR>8, Optimal direction and polarization
30𝑴⨀ BH merger
at 100 Gpc (z~10)

LISA

TOBA (10m)
GW170104
GW150914
GW151226 GW170814
GW150817

多くのサイクル数 (~105)の観測  パラメータ推定精度の向上
連星の質量, 位置, 軌道, 合体時刻, (距離), …
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11B-DECIGOのパラメータ推定精度
SNR ~100

距離決定精度 ~3%

角度分解能 ~0.1deg2

合体時刻予想精度 ~1秒

T. Nakamura et al., Prog. Theor. Exp. Phys. 093E01 (2016)
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12B-DECIGOによる重力波と電磁波の同時観測
・合体前に方向と合体時刻を予測.
 連星中性子星合体/GRB/Kilonovaの発生前・直後の電磁波観測も可能.
これまでにない天文観測の可能性.
(例1) 合体直前からの光度曲線・スペク
トル変化の観測.
(例2) GRBで, 反対側に放射されるジェットからのDelayed Flash.
山崎氏(青学大): https://arxiv.org/abs/1711.06856(例3) 連星中性子星合体が, Fast RadioBursts の起源という説 (合体後1msec). 山崎氏 講演資料 (2017.11.21) より
戸谷氏(東京大): https://arxiv.org/abs/1710.02302

https://arxiv.org/abs/1711.06856

・宇宙の加速膨張測定, 基礎物理測定.
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13観測目標 (3) : 前景重力波の理解𝛀𝐆𝐖 (重力波エネルギー密度比)

将来(DECIGO)の目的 : 原始重力波観測.
多くの連星系からの重力波  分離できない. 前景重力波雑音
 ~100個の系でパラメータ推定を行い理解を進める.
Kuroyanagi+, PRD (2009)
Pablo, PRD (2011)

PPTA

KAGRA

eLISA
CMB-Pol

B-DECIGO
インフレーションからの重力波

MBH-MBH

Compact
Binaries

DECIGO

周波数 [Hz]
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準備状況

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B-DECIGOのミッション要求と構成
ミッション要求 :歪み感度 2x10-23 Hz-1/2 (0.1Hz付近)* 変位感度 2x10-18 m/Hz1/2* 力の雑音 1x10-17 N/Hz1/2
Arm length:
100 kmFinesse:100Mirror diameter:
30 cmMirror mass:30 kg
Laser power:
1W
Laser
Laser wavelength： 515 nm
Photodetector
Orbit : TBD(Record-disk around the Earth?)

Arm cavity
MirrorDrag-free S/C

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活動の現状・2001年: 宇宙重力波望遠鏡DECIGOが提案される.
その後のコラボレーション内議論を経て、前段階として DPFとともに Pre-DECIGO ミッションが定義される.
・2007年頃: JAXA戦略経費などで基礎コンポーネント開発.
レーザー干渉計, 試験マスモジュール, 安定化光源,低雑音スラスタ, ドラッグフリーなど.
・2015年 : LIGOによる重力波初観測を受けて、B-DECIGOのサイエンス目標を再定義、ミッション検討を本格化.
 2016年に B-DECIGOに名称変更 (DPF WGは終了).
・ミッション検討: 科学目標, システム検討, 組織の再編.
・技術検討: 主要技術課題の洗い出しと実証計画の策定.
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重力波研究コミュニティ
・JGWC (Japan Gravitational Wave Community) : 325名
理論 ~150 名

KAGRAのみ
167名

KAGRA/DECIGO
60名

KAGRA 227名

※ 2015年時点

DECIGOのみ
88名

DECIGO 148名

コンセンサス (2018年6月総会で再確認):「日本の重力波コミュニティ(JGWC)では、まずKAGRAによる重力波の観測を最優先とし, その後, 宇宙重力波望遠鏡
DECIGOまたはその前哨ミッションによる重力波天文学の展開を目指す、という方針に合意している.」・CRC (宇宙線研究者コミュニティ) : タウンミーティング等で説明、サポートを受ける.
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日本の重力波コミュニティの現状と今後
・現状:- KAGRA建設中. 2019-20年の観測開始見込み (LIGO/Virgoとの同時観測).
- B-DECIGOは, 小規模に検討・基礎開発を進めている.
・今後:- KAGRA: 観測開始後, 感度向上と観測運転を繰り返す.
アップグレード計画については観測開始以降に議論を開始.
- B-DECIGO: 次回公募でミッション提案できるように準備を進める.
- LISAコンソーシアムへ参加. コンポーネントの提供. 技術協力.

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まとめ

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まとめ
・B-DECIGO は, 重力波観測・天文学において新たな可能性を切り拓く宇宙重力波望遠鏡.
- 観測周波数帯 0.1-1Hz: 地上重力波望遠鏡, 欧州の宇宙重力波望遠鏡LISAと相補的な科学的目標.
- 多くのイベントレートが期待できる:連星中性子星 ~100 yr-1, 連星ブラックホール ~105 yr-1
- 連星合体の事前予測が可能 (z=0.1のイベントに対して,角度分解能 0.1deg2, 合体時刻 1秒).
 電磁波望遠鏡による合体の瞬間の観測.
- 将来のDECIGOによる初期宇宙観測のための知見.
・従来の提案を再定義し, ミッション検討・根幹技術開発を進める.
・JAXA戦略的中型ミッションとして 2020年代後半の実現を目指す.
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終わり
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