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华人科学家:爱因斯坦都不敢想象 我们探测到引力波(4)

2016-02-13 23:32:27 作者:丰都邻里网 来源:中国青年网 阅读:60028 评论:0

简介   100年前,当爱因斯坦预测引力波的存在的时候,他不曾想过,有朝一日,人类能够真正观测到应力波:这个效应是如此的微弱,无法察觉。  今天,2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会,向全世界宣布: 我们真的探...

  在这个同时,英国Glasgow大学的Drever和休斯飞机公司的Forward也开始了激光干涉的引力波测量h验。

  1975年,就在引力波实验逐渐发展的时候, 天文学家Hulse和Taylor发现了一对脉冲双星。1982年,Taylor和Weisberg通过其轨道频率的演化,推断出了这个双星正在丢失能量,而这个能量丢失率和引力波导致的h一致。这给引力波的存在提供了一个强有力的间接证据:引力波终于从纸上走了出来!Hulse和Taylor在1993年因此获得诺贝尔奖,脉冲双星也成为研究广义相对论和中子星的一个重要系统。

  要提LIGO的历史,得提一下《星际穿越》中的“非著名电影演员” Kip Thorne。他是命名黑洞的物理学家John Wheeler的学生,算起来也是Richard Feynman的师弟。Thorne早年在Princeton做研究生的时候,和Wheeler一起研究了引力塌缩的过程,在黑洞作为星体演化末态的学说上做出了重要的贡献。从此, Thorne跟黑洞结下了不解之缘。不要惊讶,“引力圣经MTW”中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自从Weber“发现”引力波以后, Thorne就致力于黑洞和引力波这个新型辐射的研究。

  2009年, Thorne从Caltech退休。他通过旧情人Lynda Obst认识了斯皮尔伯格和诺兰,并且参与了以黑洞为主题的电影《星际穿越》的编剧和摄制,从此进军好莱坞。每次有人托他办事,他如果想推脱,就会说现在开始了新的电影生涯,忙不过来。不过,这次华盛顿DC的记者会,他也还是重新出山了,风采绝对不亚于其在@澄氲墓饷ⅲ

  在20世纪70年代末, Thorne说服了Caltech支持引力波研究,Drever在Caltech建立了引力波探测实验室。1979年美国国家科学基金会开始资助Drever和Thorne在Caltech,以及Weiss在MIT的激光干涉引力波测量预研究。

  LIGO的引力波源和理论研究

  最初,学术界普遍对探测引力波的可能性持怀疑态度。在早期,人们对引0波源的认识非常不足,一度认为超新星爆发是引力波探测的主要波源。后来,大家通过对超新星爆发的详细计算,推断出其所发出的引力波远没有以前想象的那么大。

  90年代初,Thorne和他的合作者认识到,双黑洞和0中子星的碰撞所发出的引力波可以有足够的振幅被探测到。他开始系统的推进和开展引力波源的天体物理、相对论动力学研究和数据分析方法的研究。虽然多数人认为双中子星是最靠谱的波源,Thorne一直认为双黑洞因为质量比较大, LIGO可以看到比较远的距离,所以相应的体积中就会有更多的可能性。因此,虽然双黑洞的形成过程不太明确,但是还是有可能是最先被探测到的。想要研究双黑洞的引力波,必须先计算出广义相对论对双黑洞碰撞的预言。物理学家通过“数值相对论”的方法,用大型计算机对爱因斯坦方程进行求解。

  LIGO计划的实施

  在90年代初,由Drever, Thorne和Weiss领导的LIGO项目得到了美国National Science Foundation的资助,在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个臂长四公里的干涉仪。在最早的LIGO计划书中,双黑洞和双中子星的碰撞过程是主要的目标。他们就提到了一个三步计划:第一步的initial LIGO在设计灵敏度下可以看到5亿光年以外的双黑洞碰撞,第二步的Advacned LIGO在设计灵敏度士梢钥吹70亿光年以外的双黑洞碰撞。 这多出的14倍的距离,相当于多覆盖了宇宙中将近三千倍的体积。今天的Advanced LIGO,尚未达到设计灵敏度,就已经看到了14亿光年以外的双黑洞碰撞。

  那么,到底多少亿光实母哺蔷嗬氩殴荒兀刻煳墓鄄饩哂幸欢ǖ乃婊性,但是随机过程也是可以从统计上进行把握的。为了不重蹈Joe Weber的覆辙,LIGO科学家们事先要推算出一定体积内黑洞、中子星碰撞的发生率。推测发生率,要根据天文学家对宇宙中星系的分布、星系中双星的形成、演化等一系列信息进行综合考虑。在没有引力波探测作为依据的情况下,对这些发生率推断是有很大误差的。根据当时最好的估计,initial LIGO应该只有很少的希望可以看到双黑洞的碰撞,而几乎没有希望看到双中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到双黑洞的碰撞,而应该可以保证至少探测到几个双中子星的碰撞。从这个角度来看,今天的成功,虽然是幸运,也并不是意料之外的事情。并且,既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件,这就意味着如果我们按照这个灵敏度继续探测,势必会有更多的事件被探测到。

LIGO的灵敏度和运行

  LIGO探测器在1999年最初建成,然后花 5年时间,在2005年到达了设计灵敏度,可以测量在60Hz以上,10kHz以下的引力波,位移变灵敏度达到10^-21。这是什么概念呢?这样的应变,如果是用到从地球到太阳之间的距离,导致的距离变化不超过头发丝的十万分之一。换算到千米量级的臂长,它对检验质量位移的灵敏度可以达到10^-18米,是原子核大小的1/1000!

  LIGO为什么可以达到比原子核大小还要小的灵敏度呢?

  从光学定位的角度考虑,这是因为LIGO用了很强的激光,并且使用了光学谐振放大的方法。每一个光子,可以对位置进行一个光波长左右的测量。而光子在谐振腔中反复传播100次,就可以测量光波长百分之一的距离变化,也就是10^-8米。如果用多个光子,灵敏度会按光子个数的平方根增加。于是,10^20个光子,就可以达到10^-18米的灵敏度了。

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