導入事例 アインシュタインの夢の実現へ ～重力波の直接検出に挑む～

アインシュタインが予言した中で未だ誰も観測したことのない物理現象である「重力波」。この重力波の直接検出への夢を実現するべく、現在、「大型低温重力波望遠鏡 KAGRA」の建設が進められています。
その中で、多様な観測に連携する重力波探索データ解析の研究に従事されています。このKAGRAにより、近い将来重力波を観ることができるかもしれません。

まず始めに、重力波についての概要をご説明いただけますか？

　アインシュタインが予言した中で、まだ誰も観測したことのない物理現象が１つあります。それが重力波です。重力波とは、可視光・赤外線やX線・ガンマ線などいった電磁波やニュートリノなどの素粒子とは全く違う物理現象です。アインシュタインが1916年に発表した一般相対性理論では、何か物体があるとき、その周りの空間が歪むと考えました。では、その物体が動いている時はその周りの空間はどうなるのか？と考えますよね。実は、周りの空間にできる歪みが光の速さで伝わっていくのです。これが重力波で時空のさざ波とよばれています。重力波はとても弱いものです。そのため観測するためには、宇宙の現象（たとえば、連星の合体や星の爆発など）に目を向ける必要があります。
　日本もこれまで重力波の観測に挑んできました。1990年はじめに三鷹の国立天文台キャンパスに重力波望遠鏡「TAMA300」が建設され、これまで観測を行ってきました。その後、海外にはより大規模な施設も作られてきましたが、現在に至るまで重力波の直接観測はされていません。
　TAMA300をはじめ重力波望遠鏡はレーザ干渉計の原理を用いています。レーザを発射してそれを直角方向に分け、同じ距離に設置した鏡に反射させて再び重ねあわせ、2つの光の干渉の状態を観測しています。もし重力波がやってくれば空間が歪むことで2枚の鏡の距離に違いが生じます。そうすると2つに分けた光の到達時間にも誤差が生じ波同士の位相がずれ打ち消し合います。
　しかし、重力波は非常に微弱であるため風や地球そのものの振動、さらには、熱による振動に隠れてしまいます。重力波の観測は、こうしたノイズとの戦いなのです。
※岐阜県飛騨市神岡町に大型低温重力波望遠鏡KAGRAの建設が進められています（図１参照）

　KAGRAは、ニュートリノ観測装置「スーパーカミオカンデ」と同じ地下に3kmのレーザビームライン2本が交差するように設置されます。
　特に、途中の物質との相互作用が弱いという重力波の特質から、電磁波や素粒子による観測とは質の異なった新しい情報が得られることが期待されており、このような「重力波を用いた天文学」の創成に向け、研究が進められています。

早速ですが、計算機は研究のどの部分で使われていますか？

　アインシュタインの一般相対性理論で予言されている重力波を世界で初めて見つけたい！というのがあり研究を進めています。計算機は、その中で主に重力波観測装置から得られるデータの解析手法の開発や実際にデータ解析を実行したり、（上記のような）KAGRAのためのデータ解析用ソフトウェアの開発などに使用しています。 他にも数理工学、オペレーションズ・リサーチや意思決定論の研究を行っていますので、それらの分野での解析にも使用しています。

重力波とはどのようなものでしょうか？

　まず、一般相対性理論においては、重力というのは、時空の歪であると考えています。 みなさんがよく知っているニュートンの万有引力の法則ですと、物があるとお互い引き合うと考えますよね。
　一方、一般相対性理論では、例えば、月が地球の周りを運動するのは地球そのものがつくる重力によって空間が歪められ、その歪められた空間上を月が運動するからと考えます。視点を変えたことにより、重力＝時空を歪めるものだという考え方がでてきました。何か物がある時、その周りの空間が歪みます。では、その物体が動いている時は、「その周りの空間はどうなのか？」ということを考えてみると、池の湖面に石を投げ入れたときに、湖面にさざ波が伝わっていくのと同じように、物体の運動によりできた周りの空間の歪みが時空上を伝わっていく…これが重力波と考えられ、時空のさざ波とよばれています。

日常生活への影響は何かありますか？

　重力波は超微弱であるため、日常生活には全く影響はないですね。動いたり走ったりというような人間の動きでは非常に弱い重力波しか発していないため、観測するのは無理ですし、地上で人工的に重力波を発生させてもその大きさはだいたい10のマイナス35乗程度と観測するのは無理ですね。しかし、重力波は運動する物体の質量が大きいほど、また、運動の変化が激しいほど大きいですから、宇宙に目を向けてみると、星は質量が大きいですよね？また、星の爆発などは大きく激しい運動ですよね？ 星の運動や爆発から放出される重力波であれば観測できるかもしれません。
　星の爆発は、僕らの銀河においては数十年、数百年に1回といわれているので観測可能性が低いですが、宇宙全体を見るとたくさん銀河があるので、観測する範囲を広げれば広げるほどその頻度は大きくなります。

観測装置はどのようなものですか？

　重力波を観測するためには、レーザ干渉計を用います。（図３参照）

　現在日本では、レーザ干渉計の腕の長さ（レーザビームライン）が3kmの観測装置を建設しているところです。（これがKAGRAプロジェクトです。）
　宇宙に目を向けた時、２つの星（連星）の合体や星が爆発した時などに大きな重力波を出すと考えられています。そのときに放出される重力波をより広範囲で観測しようというのがKAGRAのコンセプトとなっています（図４、５参照）

研究を始められたきっかけはどのようなことですか？

　高校生の時に通っていた予備校の先生が授業の合間に宇宙の話をよくしてくれました。その話を聞いて宇宙に対してとても興味を持ちました。もともとは薬学の道に進むものだと思っていたのですが、やはり宇宙を研究してみたいと考え、物理学科に進学しました。
　物理学科に進学し、一般相対性理論を学んだときに重力波の存在を知り、興味を持ちました。しかもそれがまだ誰も観たことがないというじゃないですか （笑） その後、重力波を専門的に研究できる大学院の研究室に行きました。

あと一歩で検出されるだろうという重力波について研究を進めるというのは、ロマンがありますね。

　そうですね。近い将来必ず検出されるであろうと言われているだけに、初検出できたらいいなと日々思い研究を進めています。
　また、例えば初検出が同じ研究をしている他の研究者だとしても、そのニュースを目の当たりにできたら、その時にこそ、この研究を続けてきた喜びを感じられると思います。

高橋先生がこの研究を始められた頃、その時既に重力波の研究は15年程経過していたかと思いますが、そこから何年後位に検出されるだろうとお考えでしたか？

　そうですね、僕が大学院生になったタイミングで、国立天文台の三鷹キャンパスに300mの観測装置（TAMA300）が建設・観測を開始し、ちょうどそんなタイミングだったこともあり、また、その後、KAGRAと同じ岐阜県飛騨市神岡町の地下にKAGRAのプロトタイプである100mの低温重力波観測装置CLIO（図６参照）が建設され、自分が見つけることができるチャンスでもあると考え熱心に研究しましたね。（もちろん今も熱心に研究していますよ。笑）

　具体的にあと何年で…とまでは考えていませんでしたが、本当に近い将来だと思っていました。実際は連星の合体や僕らの銀河内で超新星爆発などが簡単に起こるわけでもなく、なかなか難しかったのですが…（笑）
　ただ、「生きている間に見つけたいね」と言いながらも、そのような長いスパンでは考えておらず、研究者の中では「絶対に自分が見つけたい！」と思っている人は多くいると思います。僕もその一人です。

　ただ、どこの世界でも同じだと思いますが、新しいものを発見したと主張する時にはとても注意が必要です。なぜならそれを証明することがとても難しいからです。本当にそれが新しく、かつ、正しいものであるという確証がないといけないからです。
　日本独自で重力波を観測することも重要ですが、アメリカやヨーロッパでも同時に観測できれば更に説得力は増すと思いますので、世界の研究者と共同でやっていくことも重要です。
　アメリカやヨーロッパのグループはKAGRA同等の観測装置も持っていますし、データ解析の方法の研究も非常に進んでいます。 僕自身もドイツの研究所に2年間所属していました。その時には、アメリカやヨーロッパの研究者と共同研究しました。もちろん、今でも一緒に研究しています。
　ただ、「初検出」というのはとてもデリケートな問題で、日本でもアメリカでもヨーロッパでも、初検出するためには、独自路線の部分と共同研究で協力しあう部分があるのが現状です。それぞれの解析方法でデータを解析しクロスチェックができるとコードのバグも抑えられるということもあります。
　あと5年～10年以内には検出されるであろうと言われている重力波だけに、今非常にエキサイティングな状況にあると言えますね。

KAGRAが建設されると、アメリカやヨーロッパを含めて一番大きな規模の観測機ということになるのですか？

　アメリカには4kmの観測装置（LIGO）が2台、ヨーロッパには、3kmの観測装置（VIRGO）があります。重力波を観測できるまでには、現状より10倍ほどの感度を良くすることが必要だと言われ、それぞれアップグレードしているところです。日本のKAGRAは3kmの観測装置ですが、様々な最新技術を導入しアメリカやヨーロッパの観測装置に負けない感度を実現する予定です。どこの国が一番早く稼働し始めるか……というのを競い合っていますね。

この重力波の研究において、2013年4月 「山梨科学アカデミー奨励賞」を受賞されていらっしゃいますね？おめでとうございます！

　ありがとうございます。山梨科学アカデミー奨励賞は、公益社団法人 山梨科学アカデミーが、学術研究・技術開発および教育等の分野ですぐれた成果を収め将来を嘱望される山梨県に関わりを有する人を対象に選考を行ない表彰するものです。2013年4月に長岡技術科学大学に着任する前は、山梨英和大学にて研究・教育活動をしておりましたので頂くことができました。

データを解析する時に一番時間を要する部分はどのあたりでしょうか？

　観測装置が取得したデータの中にはノイズがたくさんあるのですが、そのノイズの中に埋もれた重力波信号を見つけ出すという作業をします。連星合体の場合、理論的に予測されている重力波の波形というのがありますが、その波形とデータとの相関を見つけ出すための計算をしているのですが、波形を記述するパラメータがとても多いので少しずつパラメータを調整して波形を計算し、その後観測データとの相関を取ることがとても大変です。そこが一番時間を要する部分です。

今の計算機の能力の問題もありますか？（例えば10年前の性能と今の性能だと格段に違いますね）

　もちろん、計算機の性能に依存する部分もあります。良い計算機ですともっと早くなるということもあります。

既設の計算機がありましたが、弊社の計算機導入により計算は向上されましたか？

　もちろんです。非常に計算パワーも向上し、コア数も増え、データ保存容量も増えたので計算環境が向上しました。
　やはり手元に計算機があるというのは、巨大な計算をする前に手元でテスト計算できるという利点もありますし、（共同利用環境では）計算時間の割り当てもあるので、手元で簡単なチェックができるというが大きなメリットとなっています。
　現在は、大きな計算のサーバーとしては東京大学宇宙線研究所の共同利用計算機なども利用しています。
　KAGRAの計算も宇宙線研究所の共同利用も使う予定です。共同利用と手元の計算機と、色々環境を揃えることも重要です。最近は手元の計算機でも大容量のデータを扱えるようになってきたので、共同利用環境と手元の計算機、それぞれの環境を上手に利用していきたいと思います。

計算機を使って他にもやってみたいことなどはございますか？

　試してみたいことはたくさんありますが、最近ではGPGPUで重力波の解析をするというのを試してみたいです。
　GPGPUを使って解析すると計算が早くなるという話を聞いたこともあり、ぜひ試してみたいと思っています。アルゴリズムとしてのアイディアはたくさんあるので、実装部分でハードウェアとの関連で早いものを作ることに興味もありますね。GPGPUにはとても興味がありますね。

コストはどの位かかるのでしょうか？

　小型センサを数カ所体に装着しデータを取ることは数万円で可能なため、低コストでデータを抽出できるのは魅力ですね。一方、本格的な（大掛かりな）実験装置になると数千万円規模のものもあるようです。

この研究は、スポーツにおいてシミュレーションで筋肉の付き方によって最適なスポーツを選択し、更に客観的にクセや技法のなどフォームの抽出をすることで優秀なスポーツ選手を生み出すことも可能になりますか？

　ある特定のフォームや型に限定すれば、選手のクセやスタイルといった特徴を数値化し、客観的に把握できるようになるかもしれません。
　また、この研究ではセンサデータから動き方のクセやスタイルを見つけ出すことをねらいとしていますが、その対象となる動作には、おもに日常生活中の動作や訓練の必要な技能作業を想定しています。これらの動きは、いくつかの運動パターンが繰り返す動作であるため、少ないセンサでも十分にその人のクセやスタイルなどの特徴を捉えることが可能です。一方、スポーツのような競技中の動きは、一般に全身の素早い動きや状況に応じた動きの複雑な変化があることから、計測システムやデータ解析の方法により工夫が必要となります。
　個人差やスキルの情報をうまく抽出することができれば、様々な支援に繋がる研究分野であり、色々な分野に生かせるとても発展性のある研究だと思っています。

話は変わりますが、先生の研究室に学生さんはどのくらいいらっしゃいますか？

　2013年4月から現在の大学に着任したので、3年生が2名、修士の1年生が1名（2013年1月現在）います。
　そのうちの1名が、一緒にKAGRAプロジェクトに関わる研究を希望しています。他の学生は、僕が数理工学の研究もしていますので、そちらに興味を持っているようですが。皆、シミュレーションやデータ解析といったことをメインに研究しています。

学生さんを教育されるとき、またご自身の研究において心がけていることはございますか？

　僕の研究室のスローガンとしては「物事を科学的に広い視点からとらえる」を掲げています。
　学年が上がるほどに専門的な研究を行うようになり、1つのことを追究することによって視野が狭くなってしまうことが多々あります。僕自身も宇宙のことだけでなく、様々な視点・分野で研究に取り組んでいますので、彼らにも広い視点で物事を捉えるようになってもらいたいと思っています。また、「人が誰もやっていないことをやりたい」とも考えてもらいたいですね。
　また、自身の研究においては「結果を早く出す事…しかしながらそれがいいかげんではないこと」ですね。正確性と速報性は同時に実現するのは難しいことだと考えられていますが、それは両方共非常に重要だと思います。両方の配分に気を使っています。

これからこの分野を専攻したいと考える人へ何かアドバイスがございましたらお願いします。

　まずは色々な事を学びましょう！！宇宙をやりたい、重力波をやりたいからそれだけを勉強するのではなく、自分の専門外のこともよく知っておきましょう。
　というのは、全然関係ないと思っていた知識が、実は専門の領域に入ると必要だったりすることも多々あります。また、これって実はあのときに学んだあの知識を少し応用すれば解決できるのでは？などと一見関係なかったものが結びついたりします。いきなり専門的になりすぎず、専門外の知識もたくさん学ぶことで結果的には自分のやりたいことへの近道になるような気がします。
　幅広く学び、色々な事を知ってから専門的なことに入るというのでも遅くはないというように考えています。

本日は興味深いお話をたくさんお聞かせいただき、ありがとうございました！