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我们是如何探测到引力波的?关于LIGO 你了解多少?

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LIGO外观

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LIGO Laboratory

当麻省理工学院和加州理工学院的科学家计划用激光干涉的方法来寻找引力波时,很多研究者是极力反对的。反对者担心这会让大量资金打了水漂——建造这类探测器需要极大的投入,但可能什么都找不到。然而,美国国家科学基金会(NSF)最终于1990年批准了激光干涉引力波天文台(LIGO)的建造,并在1992年确定了两座探测器的选址:华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。探测器的建设于1999年完工,并于2001年开始收集数据。然而,之后的9年内,LIGO什么都没有找到,而它也于2010年被关闭,等待升级重启。

在2010年关闭并开始升级的LIGO最终于去年9月重启。升级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升,并在刚刚开始运行的阶段就找到了来自两个正在并合的黑洞所产生的引力波,给一个世纪之久的引力波搜寻历史画上了圆满的句号。

16号凌晨发布会上宣布探测到的引力波信号实际是在2015年12月26日被探测到的,当时距离去年9月14日首次探测到引力波信号仅仅才过去了3个月左右。LIGO利用两台分别位于路易斯安那和华盛顿州的探测装置捕捉到了穿过地球的时空涟漪。这两台探测器都是巨大的L型结构,臂展有4公里长。科学家们让激光在这些长臂内部的反射镜上来回反射并精确测定来自两个长臂的反射激光之间的干涉效应,从而测量长臂所出现的任何极其细微的空间变化。

在正常情况下,两条长臂应该是完全等长的,因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器,在一个方向上的长臂长度就会被压缩,而在另一个方向上的长臂则会被拉伸,从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异, 当它们反射回来并汇合时,就会出现干涉条纹。

这样的长度变化将是极其细微的——LIGO装置必须能够测出相当于一个质子直径万分之一不到的长度变化,才可能检测到引力波信号。这台价值10亿美元,经过技术改进之后的所谓“先进LIGO”实验设施是此前较老版本的升级版。这一探测装置的构想最早在上世纪1960年代便已经出现了,最初版本的LIGO装置在2002年建成并投入使用。

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今年2月份LIGO团队发现引力波的消息瞬间引爆了整个学界,并引发全球媒体的极大关注,同时也为研究团队赢得了科维理天体物理学奖、科学突破大奖以及其他很多重要的科学奖项。基于那次发现已经发表了数十篇科研论文,对首次引力波探测的方方面面进行了详细的讨论和分析,从信号探测中可能包含的黑洞与暗物质之间联系的信息,再到怀疑产生引力波信号的或许根本就不是黑洞,而是虫洞等等。美国哥伦比亚大学的LIGO团队成员萨布里克·玛卡表示:“最有趣的工作是由LIGO项目组之外的科学家们完成的。”他说:“而这正是科学应有的方式。”

引力波天文学的黎明

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正在对LIGO设施进行技术升级工作的工程师

“先进LIGO”设施目前还仅仅是在升级之后完成了其首次试运行,该次试运行时期从去年9月份开始,一直持续到今年1月份。其探测器目前已经处于停机升级状态,预计将在今年7月份进行一次测试开机。如果一切顺利,那么第二次试运行预计将从今年夏末开始,持续大约6个月。与此同时,研究组的科学家们继续对首次试运行期间积累的大量研究数据进行分析。除了黑洞合并产生的引力波信号之外,科学家们还希望未来能够探测到中子星产生的引力波信号——后者是一类密度极高,体积很小的恒星残骸,其中的质子和电子在 强大压力下被挤压到一起成为中子。

如果两颗中子星相互合并,理论上它们也会产生引力波信号。美国乔治亚理工学院的物理学家,LIGO数据分析委员会主席劳拉·加多那提表示:“这不会像黑洞合并那样是一类爆炸性的事件,它们产生的引力波会微弱的多。这将是一场长期的搜索,需要花费时间,目前我们仍在对此展开尝试。”

随着研究组获得的数据越来越多,他们希望能够加深对于双黑洞系统成因的理解,或许最大的可能性是:它们原本就存在于一个双星系统中,当两颗恒星全都死亡之后,剩下的两个黑洞就构成了双黑洞系统。另一种理论则认为双黑洞系统产生于密集的星团之中,当恒星死亡之后形成单个的黑洞,随后在各自的引力作用下相互接近并成为双黑洞系统。卡罗基拉表示:“这是我主要的兴趣所在——我们能够最终弄清楚双黑洞系统究竟是如何形成的,这两种理论究竟哪一种是对的?或者说这两种机制都存在?”

随着LIGO发现越来越多的引力波事件案例,科学家们也将拥有更多样本,用于对爱因斯坦的广义相对论中所包含的相关预言进行更加精确的检验。尽管绝大多数科学家相信广义相对论肯定将能够顺利通过任何检测——毕竟此前已经有那么多的检验都证明了它的正确性,但是科学家们还是非常希望能够发现与理论预言的任何偏离,因为这可能就意味着发现更深层次科学原理的机会,这或许将能够帮助科学家们最终实现引力与量子力学之间的统一。加多那提表示:“到目前为止我们还尚未发现任何与广义相对论不符的情况。但如果我们开始观测到任何不吻合,我们或许就将迎来超越广义相对论的崭新时代。”

不管如何,科学家们还是希望LIGO已经取得的这两次发现将只不过是一个长期和高产科学实验设施的“小试身手”。正如玛卡所说的那样:“为这个项目,科学家们已经奋斗了三代人,未来还将至少有三代科学家继续开展这项工作。我们正身处在这中间位置,真是美妙极了!”

最后要提一句,除了意大利和法国的VIRGO,日本的KAGRA,还有计划在印度修建的第三个LIGO探测器外,中国也提出了空间太极计划 探测中低频波段引力波和中山大学发起的天琴计划探测引力波,越来越多的国家和科学家正在共同参与到引力波的研究中来。

文  新浪科技

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