KAGRA 観測開始へ

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大阪工業大学情報科学部・教授
真貝寿明（しんかいひさあき）

344041425を記録しています．レーザー光増幅や地面振動減衰装置などの将来技術開発も行われました．
TAMA のある国立天文台は，東京都内にあり，地面振動や生活雑音のために，100 Hz 以下では感度が望めませんでした．そこで岐阜県神岡の鉱山跡地の山中に建設することが計画されました．予備的なプロジェクトとして，
20 m のプロトタイプ干渉計が国立天文台から神岡に移設され，LISM 2 と命名されて 2000-2002 年に TAMA と同時観測を行っています．

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KAGRA（かぐら）は，岐阜県神岡にある重力波検出のためのレーザー干渉計です．一辺が 3 km の腕をもつ装置で，地面振動を抑えるために地下に建設され，熱振動を抑えるために 20 K の極低温で運転される「天文台」です．10 年の年月をかけて，トンネルの掘削・装置のインストール・試運転等を進め，2019 年 10 月に完成記念式典を行ないました．同日，重力波観測をリードしている米国の LIGO，欧州の Virgo の研究グループと共同観測協定 (Memorandum of Agreement, MoA) に調印し，LVK の３者による共同研究をスタートさせました．現
在，KAGRA はノイズ除去などの最終調整中で，2019 年12 月には試運転を実施し，共同観測へ参加できるよう準備を急いでいます．ここでは，KAGRA のこれまでの歩
みと現状を紹介します1 ．

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KAGRA 以前の日本の重力波検出プロジェクト
日本での重力波直接検出の試みは，1970 年代から始まりました．90 年代には宇宙線研究所が 100 m 長の delay-line
Michelson 干渉計 (TENKO-100) を，国立天文台が 20 m長の Fabry-Perot 型 Michelson 干渉計をそれぞれ構築し，技術的検討を行いました．前者は光を 102 回往復させ，√800Hz から 2.5 kHz の周波数帯で 1.1 × 10−19 / Hz の感度を出しています．1995 年には，300 m 長の Fabry-Perot型 Michelson 干渉計√TAMA が国立天文台に建設され，98
年には 5 × 10−21 / Hz の感度を達成しました．TAMA
は，2001 年には 1000 時間以上の運転を行い，2002 年には米国 LIGO の S2 観測と 2 ヶ月間共同で行うなどの実績√を残し，最終的な感度は，1 kHz 付近で 1.3 × 10−21 / Hz0,))*&+*@0/238/=043

図 1: KAGRA の概要図．[宮川治氏作成]
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KAGRA プロジェクト
2002 年には，100 m 長の辺をもち，サファイア鏡を20 K の温度に冷却することができる干渉計が神岡に建設され，CLIO 3 と命名されます．2005 年から 2010 年まで運用され，東京より 2 桁以上も地面振動雑音が小さいことが示されました．このように，日本の技術は世界をリードするものでしたが，km-スケールでの大型低温重力波干渉計 LCGT 4 建設は巨費ゆえ（そして重力波検出が世界に一例もなかったため）なかなか予算が認められませんでした．梶田隆章氏が宇宙線研究所所長に 2008 年に着任し，自らが重力波研究を牽引することで，現在へつながる潮流ができました．LCGT 計画は，2010 年に初期建設費 140 億円が承認され，東日本大震災で遅れが発生しましたが，2012 年にトンネルの掘削に着工しました．
2

1

執筆者は A01 班に所属する研究分担者ですが，現在 KAGRA サイエンス部門会議 (KAGRA Scientific Congress) 実行委員長も担当しており，本稿は後者の立場で執筆します．

Laser Interferometer Small Observatory in a Mine
Cryogenic Laser Interferometer Observatory4
Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope
3

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LCGT の名前は一般公募によって KAGRA と決まりました．
「神岡 (Kamioka) 重力波 (GRAvitational wave) 天文台」が由来ですが，日本人なら「神楽」をも連想する命名です．
図１は，KAGRA の概要図です．岐阜県北端に位置し，ニュートリノ検出器 Super-Kamiokande と KamLANDと同じ山の中に建設され，研究所も同じ神岡町茂住に設置されました．一辺が 3 km のレーザー干渉計で，米欧の干渉計に比べ，技術的に次の２点で進んでいるのが特長です．一つは低周波数側での地面振動を抑えるために地下に建設されたこと．KAGRA は少なくとも地表からは200 m 地下にあります．鏡の制震装置は，最大で 14 m の高さのものになりますが，トンネルを高層に掘って吊り下げる構造をとっています．地下に建設することのノウ
ハウについては，欧州が計画する次世代の重力波干渉計
Einstein Telescope に活かされることでしょう．もう一つは熱雑音を抑えるために鏡を 20 K の温度にまで冷却することです．そのために，サファイアの鏡 (23 kg) が使われ，ファンのない冷却装置（伝導による冷却）が開発されました．3 km のパイプの中は真空であり，LIGO の２台の干渉計に次いで世界第３位の大きさの真空装置となっています．さらに，直近の観測では使われませんが，レーザー光を光源側で増幅したり（power recycling），検出器側で増幅する (signal recycling) リサイクリング鏡も取り付けられています．これらの技術がすべて結集すれば，第２世√
代 LIGO/Virgo の装置の感度に匹敵する 2 × 10−24 / Hzを 100 Hz 付近の周波数帯で得られると計画されています．それゆえ，KAGRA は，しばしば 2.5 世代重力波干渉計とも称されているのです．
トンネルの掘削に２年，そして装置の搬入に２年をかけ，KAGRA は，2016 年 3 月・4 月に，単純な Michelson干渉計の状態で，4 週間の試運転を行いました．関係者
は，iKAGRA (initial KAGRA) と呼んでいます．そして，その後，真空装置・制震装置のアップデートやメインとなる冷却装置などのインストールを行い，2018 年 4 月・5 月には関係者が bKAGRA (baseline KAGRA) phase-1と呼ぶ試運転を 9 日間行いました．鏡を 18 K に冷却するのに 5 週間ほどかかること，そしてその温度を１カ月以上保てることを実証しています．この試運転の後半は，台風なみの低気圧の襲来やハワイでの火山活動や地震に悩まされましたが，前半は稼働率が 88.6% を記録するな
ど安定な運用が報告されました．ただし，干渉計の感度

100
101

は低周波領域で TAMA をやっと追い抜くことができる程度でした．

iKAGRAbKAGRA-1
Aug 23, 2019 [0.4kpc]
Dec 6, 2019 [31kpc]

O3b target102

図 2: KAGRA の感度曲線（小さいほど感度が良い）．iKAGRA(2016 年 4 月)，bKAGRA-1 (2018 年 4 月) の試運転後，すべての装置をインストールして，2019 年 8 月 23 日に初ロック．以降，調整が続けられていて，本稿執筆時の 12 月初旬現在では，連星中性子星の観測領域 31 kpc まで到達している．LIGO/Virgoとの共同観測に入るためには，1 Mpc 以上の感度が必要である．[道村唯太氏作成]
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一台の干渉計だけでは，重力波信号を確実にとらえたと断定することは難しいため，KAGRA は LIGO/Virgoの予定している観測予定期間 O3 （2019 年 4 月から 1 年）に間に合うように準備を進めることになりました．補助的な光学系装置や高出力レーザー源などすべての装置のインストールを半年以上予定を早めて 2019 年 4 月に終了し，現在は，装置の最終調整 (commissioning) とノイズ除去 (noise hunting) 作業を進めています（この期間をphase-2 と呼んでいます）．装置の調整とは，光源側と検出器側のリサイクリング装置を稼動させること，制震装125置にフィードバックシステムを入れること，重力波信号のゼロ点更正を行ったり (calibration)，出力信号の質保証を行うこと (detector characterization)，データ転送系を整備することなどを指し，ノイズ除去とは，機器や周辺環境から発生するノイズの原因を特定しそれを一つ一つ無くしていく作業です．
2019 年 8 月 23 日には，（リサイクリング装置なしの構成ですが）初めて干渉計全体がロックし，感度曲線を出すことができました（図 2）．本稿執筆時の 12 月初旬では，連星中性子星の観測領域 31 kpc まで到達しています．目標の感度は，O3 観測期に 10 Mpc ですので，あと２桁の感度向上が必要で，干渉計チームが日々努力を続けています．

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KAGRA と LIGO-Virgo

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KAGRA が O3 への参加検討を始めたのは，2017 年12 月でした．本新学術領域研究の田中代表からは，2018
129
年 3 月 21 日に KAGRA に向けて，「KAGRA の O3 参130加が実現することを強く望んでいる」とのバックアップ
131
メッセージを寄せていただきました．LIGO/Virgo 側か132
らは，KAGRA の参加について歓迎の返信を即座に受け133取り，本格的な共同研究体制を築くことになりました．
134
冒頭で紹介しましたように，LIGO/Virgo/KAGRA は，135共同観測・共同研究を行なっていく MoA に調印しました
136 （図 3，図 4）．KAGRA の観測装置がまだ稼動しておら137ず，データ解析グループも共同研究を本格的に進めてい138ない状況にも関わらず，対等の条件での協定を認めてくれ139たことに感謝すると共に，相応の貢献がこれから求められ140ていることを感じています．（なお，協定には，KAGRA
141干渉計が観測に加わるための条件が付記されました．少142
なくとも第１世代干渉計 GEO600 を上回らないと，協定143の価値に疑問が持たれることから，感度が中性子星連星144合体の観測距離 1 Mpc を超えること，とされています．
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その他，いくつかのデータ信号に関する内部レビューを146クリアすれば，その日から共同観測となります）．

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図 3: 2019 年 10 月 4 日，富山にて行われた LIGO-VirgoKAGRA 共同観測協定の調印式での記念撮影．左から EGO 副代表 Christian Olivetto, Virgo スポークスパーソン Jo van
den Brand, KAGRA 組織代表 梶田隆章, LIGO 所長 DavidReitze, KSC 実行委員長 真貝, KAGRA 組織副代表 大橋正健. [写真提供 飛騨市]

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表 1: LIGO, Virgo, KAGRA 研究グループの概要（2019 年10 月時）

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3

登録研究者数
論文著者数
グループ数
参加国数

LIGO
1330
860
101
20

Virgo
465360
968

KAGRA
365
200
11014KAGRA グループに所属する研究者は，LIGO/Virgoとのネット会議 (telecon) に参加し，データや文書を交換する体制になりました．各種のネット会議が日々開催されていて，日本時間では深夜や早朝になることもありますが，研究体制がかなり変わりました．LIGO/Virgo のコラボレーション会議（所属者のみ参加可能）は毎年 3月と 9 月に開催されていて，350 名ほどの参加者があります．今後は，KAGRA 研究者もこれに加わり，いずれ日本でも開催されることになります．３つのグループの規模を表 1 にまとめました．各グループとも，研究者数の約半数が，データ解析に関わる人々です．

2015

LIGO

2016

2017

2018

2019

2020

120+ Mpc

O1

O2

O3a O3bO4

25-30 Mpc

60+ Mpc

65-120Mpc

O2

O3a O3bO4

1-10 Mpc

iKAGRA

2015

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2022

60-100Mpc

Virgo

KAGRA

2021

60-80Mpc

201625-130Mpc

bKAGRA bKAGRA
O3phase1phase2

2017

2018

2019

2020

2023

target 175Mpc

O4

2021

2022

2023

図 4: 観測スケジュール．現在の Observation 3 の期間は，2020 年 4 月末まで．その後，1 年半の期間に各干渉計は装置をアップデートし，O4 を開始する．
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本新学術領域研究に参画している研究者のうち，多くの方が KAGRA コラボレーションにも参加しています．
これから研究参加することに興味を持たれた方は，是非，研究者向けの wiki ページ5 にアクセスされ，ご検討ください．相応の予算のかかった大人数のプロジェクトで，国際的なネットワークとして責任をもって貢献していくために，ある程度，ルールが定められておりますが，その点はご理解いただきたいと存じます．例えば，コラボ
レーションに新規グループとして参加するときには，研究計画を KAGRA 内部の会議 (Face-to-Face meeting) で表明していただき，審査を受ける必要があります．また，論文のデフォルト著者となるためには，KAGRA に対する貢献に関して毎年内部審査を通過しなければなりません．「理論の研究者でも参加できるのか」とよく質問を受けますが，論文を書く指針やレビュー・将来設計その他に貢献していただくことが期待されています．ご自身で新分野を開拓されることも可能です．
重力波の生のデータに接し，まさに日々，重力波天文学が創成期を迎えていることを実感しています．研究者冥利に尽きる時期にいる，と言えるでしょう．

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http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA

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