リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Fast localization of coalescing binaries with gravitational wave detectors and low frequency vibration isolation for KAGRA」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Fast localization of coalescing binaries with gravitational wave detectors and low frequency vibration isolation for KAGRA

藤井, 善範 東京大学 DOI:10.15083/0002006221

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名

藤井

善範

本論文は、重力波検出器を使った高密度連星合体イベントの高速な位置決定法と重力波
検出器KAGRAの低周波制振システム制御系の開発およびその性能評価を行ったものである。
本論文は、8章で構成される。
第1章では、まず重力波の理論的背景やその特性、検出可能とされる重力波の天体候補
が示される。次に、現在の主流となっているファブリーペロー式レーザー干渉計型の重力
波検出器とその動作原理がまとめられ、その一つであるKAGRAの光学系が紹介されている。
この章の最後には、本論文で取り上げる二つの主要な研究内容(感度の異なる重力波検出
器群を使うことで位置精度の向上をもたらす高速波源位置決定法に関する研究と、干渉計
ロックを実現した制振システムの開発に関する研究)が示されている。
第2章では、重力波検出器の観測による高密度連星合体イベントの位置決定手法につい
て述べられている。まず、重力波信号の典型的な解析手法や検出器の指向性が示される。
次に、二つの重力波検出器で検出されたイベントの波源位置の範囲の推定原理とこれまで
に開発された手法についてまとめた上で、それらで得られる位置決定の性能が示される。
そして、多波長観測で行うマルチメッセンジャー天文学に必要な重力波源位置精度の目標
値と、それを実現するための手法が述べられている。
第3章では、本論文の主要な研究内容の一つが示されている。ここでは、感度の異なる
重力波検出器群の観測データから、波源位置をより高精度に求めるオンライン解析手法を
提示している。2台の重力波検出器LIGOで検出された高密度連星合体イベントのデータに
対してこの手法を適用すると、より低感度の条件で初期運用が開始されるKAGRAのような
検出器の観測データを有効に利用して、波源位置の候補範囲の絞り込み(階層的位置決定)
ができることを、追加される検出器の感度に対して定量的に示した。
第4章では、多段振り子に支えられたミラーで構成される重力波検出器の低周波域振動
の抑制に関して、機械的制振機構と能動制御による制振手法が紹介されている。
第5章では、KAGRAの光学系を構成するミラー支持構造の制振システムについて述べら
れている。これらのミラーは、支持構造を経由して雑音振動が混入しないようにするため、
制振機構付きの多段振り子にワイヤーで吊られている。また、位置を検出するセンサーや
変位を加えるアクチュエーターを使って、ミラーの位置を局所慣性系に対して静止させる
ように能動制御がかけられる。KAGRAが使用する3種のミラー支持構造の中で最大のものが、
重力波検出器動作で重要な光共振器ミラーを支持するType-Aサスペンション(SAS)である。
この章では、Type-A SASに実装されたセンサーノイズの測定と論文提出者自身が関わった
KAGRAのミラー支持構造の組み立てと設置についても述べられている。
第6章では、Type-A SASの制振システムの能動制御系について述べられている。この能動
制御系は、位置を検出するセンサーと非接触アクチュエーターを使ってフィードバックル
ープを構成するデジタルサーボシステムである。これにより、ミラー支持構造の機械的な
1

共振を高速に減衰させ、光共振器を構成するミラーの位置と角度を保持する。この章では、
まずType-A SASの制御要件が整理され、目標が設定されている。次にType-A SASの機械特性
を模擬する数値モデルを使い、また5章の事前測定で取得したセンサーノイズを考慮して
デジタル制御系の設計を行っている。
第7章では、Type-A SASの局所制御性能について実測を通して調査している。まず、制振
システムの各段のアクチュエーターを使用して擾乱を与え、それに対する支持構造の機械
的な周波数応答を取得している。この応答と数値モデルの応答予測との比較から、多段振
り子から構成される制振システムの機械的周波数応答を確認している。その後、Type-A SAS
内の制御系のみを動作させると、この支持構造は要求時間内に制振され、自然外乱環境の
良いときには干渉計がロックできることを確認した。さらに地面振動の影響をキャンセル
するフィードフォワード制御を加えるとさらに制振レベルが改善して、自然外乱に対して
ロバストに干渉計をロックさせることに成功した。
第8章は、論文のまとめである。
低感度の重力波検出器を加え、本論文で階層的解析と呼ぶ高速なオンライン解析手法を
使って重力波源の推定位置精度を向上させることは、高密度連星合体イベントのフォロー
アップ観測を通して行われるマルチメッセンジャー天文学を進める上で、低感度の重力波
検出器を有効に使う独自なものである。また、KAGRAの光共振器ミラーの支持機構Type-A
SASの能動制御のデジタル制御系の設計を行い、Type-A SASへの制御系の実装と測定を通し
たシステムの性能評価から、KAGRAのレーザー干渉計が安定的にロック状態を維持できる
ことを確認したことは、KAGRAが重力波検出器として連続動作できる段階へ移行した点で、
本研究の重力波天文学分野への大きな貢献が認められる。
なお、本研究は、Thomas Adams, Frederique Marion, Raffaele Flaminio, およびKAGRA
Collaborationとの共同研究であるが、論文提出者が主体となって行ったもので、論文提出者
の寄与が十分であると判断する。
よって、博⼠(理学)の学位を授与できるものと認める。

2

この論文で使われている画像

参考文献

[1] Cody Messick et al. Analysis framework for the prompt discovery of compact

binary mergers in gravitational-wave data. Phys. Rev. D, 95:042001, Feb

2017.

[2] Alexander H. Nitz, Tito Dal Canton, Derek Davis, and Steven Reyes. PyCBC Live: Rapid Detection of Gravitational Waves from Compact Binary

Mergers. 2018.

[3] T. Adams et al. Low-latency analysis pipeline for compact binary coalescences in the advanced gravitational wave detector era. Class. Quant. Grav.,

33(17):175012, 2016.

[4] L. P. Singer and L. R. Price. Rapid bayesian position reconstruction for

gravitational-wave transients. Phys. Rev. D, 93:024013, Jan 2016.

[5] A. Einstein. Die grundlage der allgemeinen relativitätstheorie. Annalen der

Physik, 354(7):769–822, 1916.

[6] B. P. Abbott et al. Observation of gravitational waves from a binary black

hole merger. Phys. Rev. Lett., 116:061102, Feb 2016.

[7] B. P. Abbott, R. Abbott, T. D. Abbott, F. Acernese, K. Ackley, C. Adams,

T. Adams, P. Addesso, R. X. Adhikari, V. B. Adya, and et al. Multimessenger observations of a binary neutron star merger. The Astrophysical

Journal Letters, 848:L12, October 2017.

[8] Michele Maggiore. Gravitational Waves: Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press, 2007.

[9] CURT CUTLER and KIP S. THORNE.

AN OVERVIEW OF

GRAVITATIONAL-WAVE SOURCES, pages 72–111.

[10] B. P. Abbott et. al. Multi-messenger observations of a binary neutron star

merger. The Astrophysical Journal, 848(2):L12, oct 2017.

[11] GraceDB. https://gracedb.ligo.org. (Cited April 2019).

[12] Hiroki Takeda et al. Prospects for gravitational-wave polarization tests from

compact binary mergers with future ground-based detectors. Phys. Rev. D,

100:042001, Aug 2019.

[13] B. P. Abbott et al. A gravitational-wave standard siren measurement of the

Hubble constant. Nature, 551(7678):85–88, 2017.

287

[14] Adam G. Riess, Lucas M. Macri, Samantha L. Hoffmann, Dan Scolnic,

Stefano Casertano, Alexei V. Filippenko, Brad E. Tucker, Mark J. Reid,

David O. Jones, Jeffrey M. Silverman, Ryan Chornock, Peter Challis, Wenlong Yuan, Peter J. Brown, and Ryan J. Foley. A 2.4% DETERMINATION

OF THE LOCAL VALUE OF THE HUBBLE CONSTANT. The Astrophysical Journal, 826(1):56, jul 2016.

[15] Planck Collaboration and P. A. R. Ade et. al. Planck 2015 results. xiii.

cosmological parameters. A&A, 594:A13, Sep 2016.

[16] B. D. Metzger and E. Berger. WHAT IS THE MOST PROMISING ELECTROMAGNETIC COUNTERPART OF a NEUTRON STAR BINARY

MERGER? The Astrophysical Journal, 746(1):48, jan 2012.

[17] C Markakis, J S Read, M Shibata, K Uryū, J D E Creighton, J L Friedman,

and B D Lackey. Neutron star equation of state via gravitational wave

observations. Journal of Physics: Conference Series, 189:012024, oct 2009.

[18] Eemeli Annala, Tyler Gorda, Aleksi Kurkela, and Aleksi Vuorinen.

Gravitational-wave constraints on the neutron-star-matter equation of state.

Phys. Rev. Lett., 120:172703, Apr 2018.

[19] Christian D Ott. The gravitational-wave signature of core-collapse supernovae. Classical and Quantum Gravity, 26(6):063001, feb 2009.

[20] Takami Kuroda, Kei Kotake, and Tomoya Takiwaki.

A NEW

GRAVITATIONAL-WAVE SIGNATURE FROM STANDING ACCRETION SHOCK INSTABILITY IN SUPERNOVAE. The Astrophysical Journal, 829(1):L14, sep 2016.

[21] Thibault Damour and Alexander Vilenkin. Gravitational radiation from cosmic (super)strings: Bursts, stochastic background, and observational windows. Phys. Rev. D, 71:063510, Mar 2005.

[22] K. Kawabe. PhD Thesis, University of Tokyo. 1998.

[23] Akito Araya, Akiteru Takamori, Wataru Morii, Kouseki Miyo, Masatake

Ohashi, Kazuhiro Hayama, Takashi Uchiyama, Shinji Miyoki, and Yoshio

Saito. Design and operation of a 1500-m laser strainmeter installed at an

underground site in kamioka, japan. Earth, Planets and Space, 69(1):77,

2017.

[24] William J. Startin, Mark A. Beilby, and Peter R. Saulson. Mechanical

quality factors of fused silica resonators. Review of Scientific Instruments,

69(10):3681–3689, 1998.

288

[25] S. Rowan, G. Cagnoli, P. Sneddon, J. Hough, R. Route, E.K. Gustafson,

M.M. Fejer, and V. Mitrofanov. Investigation of mechanical loss factors of

some candidate materials for the test masses of gravitational wave detectors.

Physics Letters A, 265(1):5 – 11, 2000.

[26] T Tomaru, T Suzuki, T Uchiyama, A Yamamoto, T Shintomi, C.T Taylor, K Yamamoto, S Miyoki, M Ohashi, and K Kuroda. Maximum heat

transfer along a sapphire suspension fiber for a cryogenic interferometric

gravitational wave detector. Physics Letters A, 301(3):215 – 219, 2002.

[27] M. G. Beker. PhD Thesis, Vrije Universiteit. 2013.

[28] Eric D. Black. An introduction to pound–drever–hall laser frequency stabilization. American Journal of Physics, 69(1):79–87, 2001.

[29] Adam J. Mullavey, Bram J. J. Slagmolen, John Miller, Matthew Evans, Peter

Fritschel, Daniel Sigg, Sam J. Waldman, Daniel A. Shaddock, and David E.

McClelland. Arm-length stabilisation for interferometric gravitational-wave

detectors using frequency-doubled auxiliary lasers. Opt. Express, 20(1):81–

89, Jan 2012.

[30] Xavier Siemens, Bruce Allen, Jolien Creighton, Martin Hewitson, and

Michael Landry. Making h(t) for LIGO. Classical and Quantum Gravity,

21(20):S1723–S1735, sep 2004.

[31] B. P. Abbott and et. al. Calibration of the advanced ligo detectors for

the discovery of the binary black-hole merger gw150914. Phys. Rev. D,

95:062003, Mar 2017.

[32] Y. Aso et al. Interferometer design of the kagra gravitational wave detector.

Phys. Rev. D, 88:043007, Aug 2013.

[33] K. Komori et. al. JGW-T1707038. (Cited March 2020).

[34] K. Somiya.

Detector configuration of kagra–the japanese cryogenic

gravitational-wave detector. Classical and Quantum Gravity, 29(12):124007,

2012.

[35] Y Aso, K Somiya, and O Miyakawa. Length sensing and control strategies for

the LCGT interferometer. Classical and Quantum Gravity, 29(12):124008,

jun 2012.

[36] Jon R. Peterson. Observations and modeling of seismic background noise.

Technical report, 1993. Report.

[37] Seismic noise at KAGRA.

https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgibin/private/DocDB/ShowDocument?docid=10436.

(Cited January

2020).

289

[38] Trillium120QA user’s guide.

https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgibin/private/DocDB/ShowDocument?docid=7554.

(Cited December

2019).

[39] Peter M. Shearer. Introduction to Seismology. Cambridge University Press,

2 edition, 2009.

[40] M. G. Beker, G. Cella, R. DeSalvo, M. Doets, H. Grote, J. Harms, E. Hennes,

V. Mandic, D. S. Rabeling, J. F. J. van den Brand, and C. M. van Leeuwen.

Improving the sensitivity of future gw observatories in the 1–10 hz band:

Newtonian and seismic noise. General Relativity and Gravitation, 43(2):623–

656, Feb 2011.

[41] K. Okutomi. PhD Thesis, SOKENDAI. 2019.

[42] B. P. Abbott et al. Prospects for observing and localizing gravitationalwave transients with advanced ligo and advanced virgo. Living Reviews in

Relativity, 19(1):1, Feb 2016.

[43] L. P. Singer et al. The first two years of electromagnetic follow-up with

advanced ligo and virgo. The Astrophysical Journal, 795(2):105, 2014.

[44] T. Sekiguchi. PhD Thesis, University of Tokyo. 2016.

[45] Y. Fujii. Master’s Thesis, University of Tokyo. 2017.

[46] Y Akiyama et. al. Vibration isolation system with a compact damping system

for power recycling mirrors of KAGRA. Classical and Quantum Gravity,

36(9):095015, apr 2019.

[47] Bruce Allen, Warren G. Anderson, Patrick R. Brady, Duncan A. Brown,

and Jolien D. E. Creighton. Findchirp: An algorithm for detection of gravitational waves from inspiraling compact binaries. Phys. Rev. D, 85:122006,

Jun 2012.

[48] Rana X. Adhikari. Gravitational radiation detection with laser interferometry. Rev. Mod. Phys., 86:121–151, Feb 2014.

[49] Stephen Fairhurst. Triangulation of gravitational wave sources with a network of detectors. New Journal of Physics, 11(12):123006, dec 2009.

[50] L. P. Singer. GW170817 localization and triangulation annuli. 2017.

[51] A. H. Nitz et al. PyCBC Software, http://github.com/ligo-cbc/pycbc. (Cited

April 2020).

290

[52] Samantha A Usman, Alexander H Nitz, Ian W Harry, Christopher M Biwer, Duncan A Brown, Miriam Cabero, Collin D Capano, Tito Dal Canton,

Thomas Dent, Stephen Fairhurst, Marcel S Kehl, Drew Keppel, Badri Krishnan, Amber Lenon, Andrew Lundgren, Alex B Nielsen, Larne P Pekowsky,

Harald P Pfeiffer, Peter R Saulson, Matthew West, and Joshua L Willis.

The PyCBC search for gravitational waves from compact binary coalescence.

Classical and Quantum Gravity, 33(21):215004, oct 2016.

[53] B. P. Abbott et al. Gwtc-1: A gravitational-wave transient catalog of compact binary mergers observed by ligo and virgo during the first and second

observing runs. Phys. Rev. X, 9:031040, Sep 2019.

[54] Surabhi Sachdev et al. The GstLAL Search Analysis Methods for Compact

Binary Mergers in Advanced LIGO’s Second and Advanced Virgo’s First

Observing Runs. 1 2019.

[55] S Klimenko, I Yakushin, A Mercer, and G Mitselmakher. A coherent method

for detection of gravitational wave bursts. Classical and Quantum Gravity,

25(11):114029, may 2008.

[56] J. Veitch et al. Parameter estimation for compact binaries with ground-based

gravitational-wave observations using the lalinference software library. Phys.

Rev. D, 91:042003, Feb 2015.

[57] Neil J Cornish and Tyson B Littenberg. Bayeswave: Bayesian inference for

gravitational wave bursts and instrument glitches. Classical and Quantum

Gravity, 32(13):135012, jun 2015.

[58] Summary page. https://summary.ligo.org/ detchar/summary/O3a/. (Cited

January 2020).

[59] Masaomi Tanaka and Kenta Hotokezaka. RADIATIVE TRANSFER SIMULATIONS OF NEUTRON STAR MERGER EJECTA. The Astrophysical

Journal, 775(2):113, sep 2013.

[60] Shaon Ghosh and Gijs Nelemans. Localizing gravitational wave sources with

optical telescopes and combining electromagnetic and gravitational wave

data. In Carlos F. Sopuerta, editor, Gravitational Wave Astrophysics, pages

51–58, Cham, 2015. Springer International Publishing.

[61] Yoshinori Fujii, Thomas Adams, Frédérique Marion, and Raffaele Flaminio.

Fast localization of coalescing binaries with a heterogeneous network of advanced gravitational wave detectors. Astroparticle Physics, 113:1 – 5, 2019.

[62] B. P. Abbott et al. Implementation and testing of the first prompt search

for gravitational wave transients with electromagnetic counterparts. Astron.

Astrophys., 539:A124, 2012.

291

[63] The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration, and B. P. Abbott et. al. Prospects for observing and

localizing gravitational-wave transients with advanced ligo, advanced virgo

and kagra, 2013.

[64] Henry A. Sodano, Jae-Sung Bae, Daniel J. Inman, and W. Keith Belvin.

Improved Concept and Model of Eddy Current Damper. Journal of Vibration

and Acoustics, 128(3):294–302, 11 2005.

[65] A. Takamori. PhD Thesis, University of Tokyo. 2002.

[66] G. Cella, V. Sannibale, R. DeSalvo, S. Márka, and A. Takamori. Monolithic

geometric anti-spring blades. Nuclear Instruments and Methods in Physics

Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated

Equipment, 540(2):502 – 519, 2005.

[67] Alberto Stochino, Riccardo DeSalvo, Yumei Huang, and Virginio Sannibale.

Improvement of the seismic noise attenuation performance of the monolithic

geometric anti-spring filters for gravitational wave interferometric detectors.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 580(3):1559 –

1564, 2007.

[68] L. Trozzo. PhD Thesis, Universitá di Siena. 2018.

[69] F Matichard et al. Seismic isolation of advanced LIGO: Review of strategy, instrumentation and performance. Classical and Quantum Gravity,

32(18):185003, aug 2015.

[70] Y. Sakakibara. PhD Thesis, University of Tokyo. 2015.

[71] T. Yamada. Master’s Thesis, University of Tokyo. 2018.

[72] T. Ochi. Master’s Thesis, University of Tokyo. 2018.

[73] F. Cordero, F. Corvasce, R. Franco, G. Paparo, E. Maiorana, P. Rapagnani,

F. Ricci, S. Braccini, C. Casciano, R. De Salvo, F. Frasconi, R. Passaquieti,

M. De Sanctis, A. Solina, and R. Valentini. Elastic and anelastic properties

of marval 18 steel. Journal of Alloys and Compounds, 310(1):400 – 404,

2000. Intern. Conf. Internal Friction and Ultrasonic Attentuation in Solids

(ICIFUAS-12).

[74] Hareem Tariq et al. The linear variable differential transformer (lvdt) position sensor for gravitational wave interferometer low-frequency controls.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 489(1):570 – 576,

2002.

292

[75] Virgo Internal Document. Advanced Virgo Technical Design Report, VIR0128A-12. 2012.

[76] Riccardo Desalvo. Review: Accelerometer development for use in gravitational wave-detection interferometers. Bulletin of the Seismological Society

of America, 99, 05 2009.

[77] R. Sleeman. Three-Channel Correlation Analysis: A New Technique to Measure Instrumental Noise of Digitizers and Seismic Sensors. The Bulletin of

the Seismological Society of America, 96(1):258–271, Feb 2006.

[78] S. Aston. LIGO Internal Document, T050111-04-K. 2009.

[79] S. Zeidler. KAGRA Internal Document, JGW-T1605788. 2016.

[80] M. Fukunaga. Master’s Thesis, University of Tokyo. 2019.

[81] Yuta Michimura et al. Mirror actuation design for the interferometer control

of the KAGRA gravitational wave telescope. Classical and Quantum Gravity,

34(22):225001, oct 2017.

[82] A. Shoda et al. KAGRA Internal Document, JGW-T1604756. 2016.

[83] M. A. Barton et al. KAGRA Internal Document, JGW-E1504235. 2017.

[84] KAGRA Logbook. http://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?c=1. (Cited February

2020).

[85] K. Izumi. Master’s Thesis, University of Tokyo. 2009.

[86] Y. Michimura Y. Enomoto and K. Izumi. KAGRA Internal Document,

JGW-T1808343. 2018.

[87] Y. Michimura. KAGRA Internal Document, JGW-T1202403. 2014.

[88] 3D rigid body suspension modeling tool.

https://gwdoc.icrr.utokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?docid=3729.

(Cited

January 2020).

[89] KAGRA

wiki

page

for

ETMX.

http://gwwiki.icrr.utokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA/Subgroups/VIS/TypeA/ETMX.

(Cited

January 2020).

[90] D. Martynov. PhD Thesis, California Institute of Technology. 2015.

[91] J. Abadie et al. Sensitivity Achieved by the LIGO and Virgo Gravitational

Wave Detectors during LIGO’s Sixth and Virgo’s Second and Third Science

Runs. 2012.

293

[92] M. Barsanti, M. Beghini, F. Frasconi, R. Ishak, B.D. Monelli, and R. Valentini. Experimental study of hydrogen embrittlement in maraging steels.

Procedia Structural Integrity, 8:501 – 508, 2018. AIAS2017 - 46th Conference on Stress Analysis and Mechanical Engineering Design, 6-9 September

2017, Pisa, Italy.

294

...

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文

一発検索!

この論文の関連論文を見る