情報システム学科研究室

宇宙物理・数理科学研究室

Department of Information Systems

教員

真貝 寿明

カテゴリー

科学

重力波検出の新手法の開発，重力理論の検証，銀河中心ブラックホール形成史の解明
2015 年重力波初検出，2017 年重力波天文学の誕生

アインシュタインが一般相対性理論を創り上げて 100 年後，彼の予言した「時空の歪みの伝播（重力波）」が米国の LIGO（レーザー干渉計）によって初めて捉えられました．連星ブラックホールの合体現象の痕跡でした．
そして，2017 年 8 月には，連星中性子星の合体現象が検出され，直後に世界中の天文台が追観測を実施して，『重力波天文学』が幕をあけました．
本研究室は，これまで，シミュレーション研究および手法の研究を中心にして，一般相対性理論の描く動的な時空の解明を研究をしてまいりましたが，重力波に関しては，表題の３研究を中心に進めています．担当教員は，現在，日本の重力波干渉計 KAGRA プロジェクト（PI：梶田隆章・東京大学宇宙線研究所所長）の科学部門委員長・KAGRA スポークスパーソン（2017-2019）としても活動しています．KAGRA は 2019 年末に観測を始めます．
米欧との連携観測開始協定締結・共同論文執筆計画推進・日本のデータ解析チームの組織化などを進めています．

(2015/9)(2016/12)(2018/9)(2019/11) 「相対論と宇宙の事典」（朝倉書店）編集(2019/11) 翻訳書「演習相対性理論と重力」（森北出版）

重力波検出は何が難しいのか

振幅がとても小さく，ノイズに埋もれた重力波観測データから，未知の重力波信号を取り出す手法の開発が必要になります．原理的には，質量をもつ物体が加速度運動すれば重力波は発生しますが，観測できるほどの振幅になるのは天体スケールのものになります．しかも，天文学的な距離を伝播することで波が減衰することを加味すると，長距離での時空の歪みを測定する必要があります．現在の地上レーザー干渉計は3km (LIGO は 4km) の腕で，ターゲットとする重力波の典型的な相対振幅は 10-21（太陽・地球間の距離で原子核１つ分），周波数は 100～2000Hz のものです．
（宇宙空間に出れば低周波のものが観測可能になります）．
測定されるデータは地面振動や機器の熱振動・レーザー光の量子ゆらぎなどのノイズに埋もれていて，重力波として抽出するためには，あらかじめ想定される波形との相関をみるマッチド・フィルタリング解析が主流です．通常と異なるスペクトルを探知するバースト・サーチ手法も使われています．重力波検出の兆候が報告されると，シミュレーションで得られた波形とモンテカルロ法を駆使したベイズ推定が 1000コア程度の並列計算で行われます．決めなければならないパラメータ空間が大きいのが問題になります．
（連星合体の波形の場合，14 パラメータの特定が必要．
）

連星合体で予想される重力波の波形実際のデータ（赤）と発見された重力波（黒）現状の手法の問題点は，計算時間がかかりすぎること，既知の重力波波形にしか対応できないこと，ベイズ推定の事前推定が収束性から常に問題になることなどです．
機械学習による手法も模索されはじめましたが，学習データの必要数を含めて研究途上です．本研究室では，スパースモデリングによるノイズ除去や，自己回帰法による（テンプレートを用いない）波形抽出など従来にない方法構築を目指しています．

科学のアウトリーチ活動

一般の方向けの解説など，最近は，以下のような依頼にお応えしています．
2019 年 12 月 舞鶴高専ジュニアドクター育成塾 特別講演
2019 年 7 月 雑誌『現代思想』8 月号「ブラックホール理論とその周辺」●"Comparison of various methods to extract ringdown frequency from2019 年 5 月 Newton ライト『法則の事典』編集協力
gravitational wave data", H.Nakano et al, Phys. Rev. D. 99 (2019) 124032
2019 年 4 月 - 毎日文化センター（西梅田）『宇宙はどこまで解明されたか』全 6 回●"First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave
2018 年 12 月 雑誌『数理科学』12 月号「ブラックホールと重力波」
observatory KAGRA", KAGRA collaboration, Class. Quant. Grav. (2019)2018 年 10 月 - 毎日文化センター（西梅田）『宇宙をひもとく物理学』全 6 回●”INO: Interplanetary Network of Optical Lattice Clocks”, T. Ebisuzaki et al,2018 年 9 月 システム制御情報学会誌『重力波の直接観測とデータ解析』
Int. J. Mod. Phys. D. (2019) 1940002
2018 年 7 月 けいはんな・サイエンスフェスタ 2018「ブラックホールと重力波」●”KAGRA: 2.5 Generation Interferometric Gravitational Wave Detector”,
2018 年 7 月 枚方市立青少年センター夏休み教室「アインシュタインの考えたこと」
KAGRA collaboration, Nature Astronomy, 3 (2019) 35.
2018 年 6 月 西宮市生涯学習大学宮水学園せいかつ講座「こんなところに物理学」
2017 年 12 月 雑誌『科学』( 岩波書店 )12 月号『光格子時計による重力波検出』（共著）
2017 年 11 月 科学技術館 科学ライブショー『重力波観測は物理学から天文学へ』
2017 年 11 月 NHK サイエンス ZERO 「タイムマシンは実現するのか !?」●科学研究費補助金 基盤研究 (B)2017 年９月 慶應義塾高校科学講演会『ブラックホールと重力波』「重力波データ抽出方法の開発：新たな解析手法および分散型コンピューティング2017 年 7 月 雑誌 Newton 7 月号「双子のパラドックス」取材協力の導入」(New directions in gravitational-wave data analysis: both in2017 年 5 月 雑誌『子供の科学』5 月号 特集「時間ってなに？」 インタビュー
computing algorithms and hardwares including its outreach activities)
2017 年 1 月 雑誌『学術の動向』( 日本学術協力財団発行 )1 月号（2019--2023 年度，課題番号 19H01901，研究代表）『大学初年次における科学力と高大接続 科学リテラシーテストの結果報告』●科学研究費補助基金 挑戦的研究（萌芽）2016 年 11 月 サイエンスアゴラ シンポジウム『これからの高校理科教育のありかた』「天文文化学の創設：天文と文化遺産を結ぶ文理融合研究の加速」(Establishment
2016 年 10 月『天文宇宙検定 1 級公式問題集』（恒星社厚生閣）編集協力
of cultural astronomy: Acceleration and integration of arts and sciences on2016 年 8 月 近鉄あべのハルカス本店宇宙博 2016, 特別セミナー「ブラックホールは
cultural heritage, astronomical phenomena, and mathematical understanding)
どう見える ?」
（2019--2021 年度，課題番号 19K21621，研究代表）
2016 年 8 月 International Science School 2016 講師●科学研究費補助金 新学術「重力波物理学・天文学：創世記」
2016 年 7 月 雑誌『窮理』4 号：「予想通りで驚いた 重力波初観測の報道に接して」
A01 計画研究「重力波データ解析による重力理論の検証」（2017--2021 年度，
2016 年 6 月 -3 月 西宮市生涯学習ラジオ講座「宇宙はここまで理解された 宇宙
課題番号 JP17H06358，研究分担）
物理学入門」全 10 回．
●基盤研究 (C)「修正重力理論における非線形ダイナミクスと超弦理論の検証」
2016 年 5 月 科学技術館 科学ライブショー「ユニバース」重力波検出記念特別番組．
（2018--2022 年度，課題番号 JP18K03630，研究分担）2016 年 3 月 雑誌『クーリエジャポン』電子版「人類が初めて観測した重力波」

最近の研究から科研費採択状況