東京大學宇宙射線研究所宣佈，捕捉從遙遠的宇宙抵達的細微空間扭曲「重力波」的觀測設施「KAGRA（神樂）」（岐阜縣飛騨市）於5月25日凌晨，時隔3年重新開啓國際聯合觀測。該設施是以探索黑洞等爲目的而建立的地下巨大望遠鏡，但由於靈敏度不足，目前尚未捕捉到重力波。研究團隊以上次的觀測爲基礎，找出了觀測噪音大於預期的終極因數，並採取了改善措施。率領研究團隊的該研究所梶田隆章教授充滿信心地表示：「預計在明年春天達到能夠捕捉到重力波跡象的靈敏度。」
建於地下的重力波望遠鏡「KAGRA」俯視圖。L型隧道的邊長爲3公里（供圖：東京大學宇宙射線研究所）
在神岡的山中探測「空間時間波痕」
重力波也被稱爲「空間時間波痕」。物體周圍的空間因重力而扭曲，當物體行程時，該扭曲像波痕一樣以光速向周圍傳播的現象就是重力波。1916年愛因斯坦的廣義相對論中預言了重力波的存在。
嘗試捕捉類似黑洞等重天體合併時產生的重力波的科學觀測一直都在進行之中，2015年，由美國的兩個觀測設施組成的「LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，雷射干擾重力波天文臺）」首次探測到了重力波。LIGO團隊的3人在2017年榮獲諾貝爾物理可用能學獎。此後，LIGO和歐洲的「Virgo（處女座）重力波偵檢器」合作，捕捉到了黑洞之間的合併、部分星體終結時的形態「中子星」的合併，及黑洞和中子星的合併所產生的重力波共計90例。
爲了確定重力波到來的方向，需要使用多個重力波望遠鏡進行三角測量。同時爲提高精度，除了LIGO和Virgo之外，還需要在儘可能遠的區域再安裝一臺偵檢器。爲此，以東京大學爲中心，在飛騨市神岡町的山區地下約200米處挖掘隧道，建造了KAGRA。該裝置的原理是根據從1側長度爲3000米的L型隧道的中心向兩個方向發射的雷射分別被鏡子反射回來的時差，捕捉重力波。建設成本約164億日元，於2019年春季竣工。有來自8個國家和地區的約150名研究人員參與了相關成果的論文撰寫。KAGRA的KA來源於神岡的首個羅馬字讀音KA，GRA來源於表示重力的Gravity，據說也有獻給神明的「神樂」舞蹈的含義。
梶田教授解釋道：「爲了調查重力波到來的方向，KAGRA位於東亞地區是極其重要的。人們早就認識到了國際觀測的必要性」。梶田教授因對基本粒子的微中子的研究，於2015年獲得諾貝爾物理可用能學獎。
瞭解宇宙的新工具
如果喜歡天文，即便是小孩子也有過透過天文望遠鏡觀察天空的經歷吧。該方法是「天文學之父」伽利略在17世紀開始的可見光觀測，但進入20世紀後，透過X射線、廣播無線電以及捕捉來自天體的微中子等方式也可以進行觀測。彙集了各種不同觀測方法的特點，將成果聯合起來，加深對宇宙的理解的研究領域被稱爲「多信使天文學」。21世紀的今天，在此基礎上新加入了使用KAGRA等重力波望遠鏡的「重力波天文學」。
梶田隆章教授向媒體說明KAGRA時隔三年的觀測計劃（5月17日攝於東京都文京區的東京大學校園）
關於利用重力波研究的宇宙之謎，梶田教授主要列舉了三個：（1）目前基本可以確定金、鉑等重元素是透過中子星之間的合併產生的，之後將收集更多的觀測實例並進行應答；（2）實際觀測到的黑洞比預想的要重得多，之後將研究它們是如何形成的；（3）重量超過太陽8倍的星體末期發生的「超新星爆炸」的機制目前尚未闡明。希望透過重力波觀測調查物質的行程和透過微中子觀測調查溫度來了解中心部發生的現象，並結合起來進行理解。
「並不是簡單的替代物」
KAGRA完成後，爲了與LIGO和Virgo聯合觀測而進行了調整，並於2020年3月達到了參與條件的靈敏度。但由於新冠疫情，LIGO和Virgo等不到KAGRA的參加便中斷了觀測。於是，KAGRA於2020年4月與一家德國的設施進行了聯合觀測，但同樣由於疫情，僅持續了兩週也被終止了。此時，研究團隊發現妨礙KAGRA靈敏度的噪音比預期大。因此調查了終極因數，透過重新安裝及調整支撐反射鏡的防震裝置、採取散射光對策，及改進光學系等提高了靈敏度，爲恢復聯合觀測做準備。
聯合觀測於日本時間5月25日零點重新開啓。根據計劃，KAGRA將首先進行為期一個月的觀測。然而，據稱根據目前的靈敏度，還無法實際看到重力波。研究團隊根據這一個月的觀測結果對設備進行調整後，計劃在明年春天重啓，再觀測三個月。在這個階段，目標是使靈敏度達到能夠捕捉中子星合併引起的重力波的跡象。另外，重啓之初將由KAGRA和LIGO進行觀測，發現故障的Virgo將繼續操作調整一段時間。
當前，KAGRA與LIGO、Virgo的靈敏度差異還較大，要與積累了實際經驗且走在前列的二者並肩觀測，KAGRA似乎還有很長的路要走。梶田教授表示：「LIGO和Virgo都花了相當長的時間提高靈敏度。要想達到當初預想的靈敏度並不是那麼容易的事，與其他設施相比，KAGRA提高靈敏度的時間並不長。我們雖然會盡力，但只有KAGRA實施快速提升是相當困難的。」
期待「LVK」獲得成果
KAGRA的隧道内部。直徑80釐米的真空管道持續3公里（供圖：東京大學宇宙射線研究所）
據研究團隊稱，其目標是在2027年左右開始下一次國際觀測之前，進一步提高靈敏度，並透過KAGRA捕捉重力波的到來方向，爲提高精度做出貢獻。
2015年11月，KAGRA的建設迎來了重要節點，包括筆者在内的記者團實地採訪了地下設施。與當時聽到的「進入正式觀測的話，最快1年以内就能捕捉到重力波」的豪言壯語相比，坦率地說，總覺得現在的研究人員的話語裏缺乏氣勢。
不過，LIGO和Virgo的檔案中明確寫着「LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) Collaboration」，可以說KAGRA肩負着很大的期待。爲了實施大科學，對於困難以及與當初預測存在差異的事實不一定都是負面意義的，有時改進的程序本身也會促進項目本身的成長。期待看到愛因斯坦從天上向神岡露出微笑的那一天。
【相關鏈結】
東京大學宇宙射線研究所 「大型低溫重力波望遠鏡‘KAGRA'」（日文）
加州理工學院 「LIGO Ready to Explore Secrets of the Universe」（英文）
原文：草下健夫/JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
