レーザー干渉計型重力波検出器
TAMA300のパワーリサイクリング VIII（観測）国立天文台，東大理A，東大宇宙線研B，東大新領域C，阪市大D ，電通大E，通総研F，TAMA Collaboration H

新井宏二，佐藤修一，阿久津智忠A，高橋竜太郎，長野重夫F，神田展行D ，辰巳大輔，常定芳基，安東正樹A，三尾典克C，森脇成典C，辰巳大輔，武者満E，川村静児，福嶋美津広，山崎利孝，藤本眞克，坪野公夫A，黒田和明B，他TAMA Collaboration H

TAMA300検出器
l 300m基線レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300
サイト: 国立天文台 三鷹キャンパス (東京都)l TAMA300の目的
1. 近傍銀河で発生する重力波イベントを検出可能な実証型検出器の開発

West End Room

Center Room

2. 将来のkm級干渉計に必要な技術の確立
理論感度限界 ~ hRMS = 3 x 10-21
観測帯域の中心周波数300Hz(バンド幅300Hz)
South End RoomTAMA300検出器 〜 概略

300mFabry-Perot
光共振器

リサイクリングミラー

重力波300m Fabry-Perot
光共振器

真空槽 / 真空ダクト
鏡懸架システム

10mモード
クリーナ
10W
レーザー
光源

鏡

光検出器

防振スタック
データ取得系
データ解析システム

能動防振装置現在までに行われた観測l 第1次〜第6次観測 パワーリサイクリングなし
DT1 1999 Aug. 6~ 7

1夜

11 時間

DT2 1999 Sep. 17~20

3夜

31 時間

DT3 2000 Apr. 20~23

3夜

13 時間

DT4 2000 Aug. 21~Sep. 4

13 夜

167 時間DT5 2001 Mar.

6日

2~ 8

DT6 2001 Aug. 1~Sep. 20

50 日

111 時間 Coincidence
1038 時間 LISM(20m)l 第7次〜第8次観測 パワーリサイクリングなし
DT7 2002 Aug, 31~Sep. 2

1日

25 時間

DT8 2003 Feb. 14~Apr. 15

59 日1158 時間

LIGO & GEO
LIGO

第8次観測 Data Taking 8 (DT8)l DT8: 2003/2/14~4/15の2ヶ月間の観測-

米国LIGO計画の3台の干渉計との初の完全同時観測
パワーリサイクリング導入(2001/10〜)
してから初めての長期運転

l パワーリサイクリング-

リサイクリングミラーと主干渉計で光共振器を構成・内部光量を増加⇒散射雑音・検出系雑音の低減に効果

300m arm

300m arm-

光学要素が複雑化⇒安定動作のための要求が厳しくなる

Laser

リサイクリングミラー長期観測に要求される検出器の性能
l 検出器の感度
リサイクリングによる感度の向上
パワーリサイクリング・ゲイン: 4.5
ベスト感度:
2.7x10-21[/Hz1/2] (@1.5kHz)l 検出器の安定度

アラインメント制御などの改良による安定度の向上 (DT7比)収集されたデータ総量: 1158時間
稼働率:81.3%
最長ロック時間:
20.5時間(10分以上の連続動作データ)

l 検出器の操作性
干渉計の自動ロック機構のリサイクリング対応

パワーリサイクリングによる感度の向上
Strain sensitivity of TAMA300(Feb, 20 2003)-1210-1310DT8 リサイクリング時
DT6 リサイクリングなし

1/2

Strain sensitivity [1/Hz ]-1410-1510-1610-1710-1810-1910-2010-2110

1102

103

10
Frequency [Hz]410510

パワーリサイクリングによる感度の向上
Strain sensitivity of TAMA300(Feb, 20 2003)-1210-1310DT8 リサイクリング時
DT6 リサイクリングなし

1/2

Strain sensitivity [1/Hz ]-1410-1510

アラインメント制御の帯域拡大の効果（フロアレベル維持のため）-1610-1710-1810-1910リサイクリングによる光量増加の効果-2010-2110110210310Frequency [Hz]410510600Hz以上の帯域で3~10倍の感度向上
フロアレベルの改善:
DT6 5x10-21 /Hz1/2 => DT8 2.7x10-21 /Hz1/2

感度の評価 "Observable distance"
コンパクト連星合体がSNR=10で検出できる距離(最適方向からの入射を仮定)

m=0.5
m=1.4
m=10

(Macho BH):
(NS):
(BH):

80
Observable Distance [kpc]DT614 kpc
33 kpc34 kpc

DT820 kpc
42 kpc15 kpc2003/02/20 DT8
2001/08/03 DT660
40
20010 -1235710023572

10 1 mass [Msolar]

干渉計を安定に動作させるl 地面振動: 安定度を損なう最大の要因
TAMA300サイト 〜 市街地の只中にある
地面振動レベル: 他の大型干渉計に比べると、およそ10倍
神岡鉱山内に比べると100~1000倍=> 腕共振器の鏡のアラインメント制御(帯域~10Hz) / 能動防振装置

l 長期ドリフトの補償
腕の光路長やミラーアラインメントのゆっくりとした「ずれ」
温度・気圧などの環境変動や人的要因(地下水汲み上げなど)=> 光路長ドリフト補償
リサイクリングミラーのアラインメント制御(帯域<10Hz)
300mの光軸の制御

安定度の改善l DT7, DT8での最長ロック
干渉計内光量の変動

Transmitted power [a.u.]54

DT8: 20h31m

32

DT7: 8h38m

リサイクリングミラー
アラインメントの手動調整

100

510
Time [hour]

1520

稼働率
(1424時間中 / 稼働率 81.3%)

Start: Feb 14, 2003, Fri, 23:00:00 JST, End: Apr 15, 2003, Tue, 07:00:00 JST (Total run time: 1424:00:01)
Total long obs. time: 1157:51:26, Duty cycle: 81.3102%

87

S S

Avg duty cycle (81.3%)
CC C

Obs. time in each shift [hours]

6C C
W

DAQ
Trouble5C C CCWWW

Circuit
FailureSignal Injection
Experiment
1200

S
1000

C C CC

CC CW

Laser
TroubleC C

CCWCC C C CC C C C
Road
WW W
High Constructions
800
Sea
Waves
MC
Trouble4600

PowerFailure

3400

2200
10 141516171819202122232425262728010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930310102030405060708091011121314150FebMar

Apr

Total Obs. time [hours]

l 1157時間51分

DT8中の工事の影響Observable
Distance [kpc]Seismic level[mgal (=10-5m/s2)]

13rd May, 2003 (Thu)(Noisy weekday)
3025
2015
1050

サイトの外周で行われていた
遺跡発掘調査地面振動レベルと稼働率の相関
Duty cycle vs Seismic motion

1

Duty Cycle

0.8
0.6
0.4
0.2
005
1015
2025
中央・両エンド平均の地面振動レベル (mgal)

平均地面振動レベルが10mgalを超えると稼働率が顕著に落ちるDuty cycle

稼働率・感度の日周変動
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0Lunch
time

36

9

12
15
Hour (JST)

1821

24

Observabledistance [kpc]工事があると干渉計動かない => 昼間の稼働率 60%・夜間の稼働率90%40302010003691215Hour (JST)18

工事がなく、昼間稼動しても => 約20%の感度悪化

2124今後の計画
l DT8データの解析
l 雑音低減(主に数100Hz帯)⇒ひきつづく、2講演

l LIGO S3への参加へむけた観測体制の整備
常時観測を可能にするための、更なる自動化

l 防振系のアップグレード
Seismic Attenuation System (SAS)
低周波(~0.1Hz)からの防振Caltech・東大・ピサ大などとの共同 R&D
2005年導入予定

l 散射雑音の低減
干渉計内パワーの更なる増加⇒リサイクリングゲインの増加(4.5->約10)

SAS (東大理)まとめl 干渉計型重力波検出器TAMA300l 第8次観測 Data Taking 8 (2003/2/14~4/15)
米国LIGOとの初の完全同時観測
リサイクリング技術導入後初の長期観測
リサイクリングによる感度改善
h = 2.7 x 10-21 /√Hz @1.5kHz改善された安定度1424時間中 1158時間稼動 => 稼働率 81.3%
稼働率は主に地面振動(近隣での工事)で決まっている

l 今後
DT8データの解析・数 100Hz帯雑音低減
LIGO S3への参加へむけた観測体制の整備