于无声处听惊雷,为何是LIGO笑到了最后

2019-11-09 12:42栏目:奥门新萄京娱乐场
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慎之又慎

宇宙暴胀时期产生的原初引力波,可以通过研究宇宙微波背景辐射的偏振模式得到。在大爆炸过后的极短时间内,暴胀将极小尺度内的量子真空涨落放大到宇宙学尺度,并产生引力波辐射。这种极低频的原初引力波也影响着宇宙极早期的微波背景辐射,通过识别引力波特有的偏振模式,微波背景辐射的探测有望探测到来自宇宙创生时的第一声啼哭。2013 年,一个名叫BICEP2的团队宣称,他们在南极的微波望远镜揭示了原初引力波的存在证据。可惜的是,后续的研究表明,他们的观测只是星际尘埃引起的噪音。

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BICEP2 团队测量的微波背景辐射的B模式偏振。图片来源: kipac.stanford.edu

在科学探索的道路上,永远充满着荆棘。即使智慧如爱因斯坦也不免犯错,霍金在科学上的打赌更几乎逢赌必输。在整整一个世纪的探索引力波的道路上,科学家经历了许多波折,也由此更加谨慎。作为一个拥有近千名科学家的大型合作组织,LIGO科学合作组织对待自己的数据非常谨慎,有些人甚至认为太过谨慎了。由于引力波探测的独特性,一旦LIGO宣布引力波的探测结果,将没有任何办法检验这一论断,所以LIGO科学合作组织需要绞尽脑汁,以便将来一旦发现引力波信号时,可以对信号的真实性有足够的自信。

2010年,还没有升级的LIGO进行了第6次科学运行,同时,位于意大利的VIRGO进行了第2及第3次科学运行。在LIGO和VIRGO联合观测前,事先确定了一个由3个人组成的秘密小组,他们有可能会在数据中人为地注入信号,所有其他成员都无从知晓这一过程的具体信息,所以称之为盲注。

2010年9月16日,LIGO和VIRGO同时探测到一个信号,方向大概来自大犬座,所以代号为“大犬事件”。这一令人激动的信息立刻让LIGO科学合作组织沸腾了。经过大量的研究工作之后,科学家准备好了用以发表的论文和新闻稿。

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大犬事件在两个探测器上的数据。图片来源:ligo.org

然而,负责盲注的3人小组这时揭晓谜底: 这个信号的确是他们放的。

应该说,这个过程中消耗了大量科研人员的精力和时间,也让所有的成员都空欢喜一场。但正是有这种严谨小心的态度,LIGO向世人宣布探测结果的那一天才会自信满满,也尽可能避免可能的乌龙局面。

(编辑:Steed)

LIGO的黑科技

就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致,就算干涉原理吊炸天,凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化?

大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开,专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动?

太平洋上台风肆虐,我在上海的岸边扔了一粒石子,请你在加州海滩上测出它的涟漪。

天体通过引力波释放的能量往往是惊人的。幸运的是,它几乎不和物质相互作用,这就意味着来自核心区域的信息可以畅通无阻地冲出来,传播到遥远的宇宙空间去。不幸的则是,它几乎不和物质相互作用,也意味着哪怕引力波携带着巨大的能量从探测器经过,也很难留下任何蛛丝马迹。

1.隔离震动

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发布会上,Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理:当你高频摇动一个摆的绳端,摆并不会跟你一起摇动,反而会维持稳定。

当你把这招用到极致,就是这样:

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左图是升级改造前的LIGO:反射镜仅有25厘米直径,用两根钢丝吊起。而右图中,升级改造后的Advanced-LIGO,使用了远为复杂的机构,和更大、更重的反射镜,来最小化反射镜本身的晃动。

而这个东西,是吊在这里面的:

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图片 6震动隔离平台。主动减震。

别想歪了,我们这里说的不是言情故事,而是宇宙空间中真实存在的物理场景——两个致密的天体,比如中子星或者黑洞,在绕转过程中不断释放引力波辐射并带走动能,直至双星系统并合的过程。

引力波探测器的分类

爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了,到六十年代左右,就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样:

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一个大铝筒。基本原理是,如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致,会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber,公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布,用这台机器测到了引力波。

但是同行重复他的实验,没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。

这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显,用越大的数字去乘这个10^-21,会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小,显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km,内部更是让光路反射了400次,激光光路长度达到1600km,这么大的数去乘那个10^-21,才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器,显然不可能有什么结果。

后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。

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其基本原理是,把引力波扫过导致的长度变化,转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”,不用什么别的工具,我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹,直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强,判断激光臂长的极微弱变化。

同样的原理,放到天上,能得到更长的臂长:长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划,中国也提出了天琴计划,都是打算发射空间卫星,组成干涉仪网络,进行长距离的干涉测量。

更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了:脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动,而微波背景辐射里,据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。

波速不变的话,波长与频率成反比。臂长越长,对越长的波长更敏感,也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射,它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号,彼此互为补充,不能相互替代。

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其中,LIGO这种几公里基线的激光干涉仪,对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过,这种双星并合事件的引力波最有独特特征,最容易识别,因此不难理解,是LIGO抢先探测到了引力波。

而LISA、天琴就要低频一些了,它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星,以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。

脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波,宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些,就像是工作在不同的电磁波段一样,共同描绘出完整的引力波的多彩世界。

在茫茫人海中,我遇到了你,你遇到了我,从此安定下来,想看两不厌,于是深情地跳起了华尔兹。我们转啊转啊转啊转,越转越近越转越快,华尔兹变成了探戈,舞步也愈加疯狂,更加热烈,直至最后一往情深地合二为一,你中有我,我中有你⋯⋯

五花八门的引力波探测器中,为什么是LIGO笑到了最后?

上回我们说到,引力波的测量困难得异乎寻常,这并不是说引力波的源释放的能量微弱。恰恰相反,像上述的致密双星并合过程,应该说是宇宙中最为剧烈的事件之一——它所释放的能量,远远超出太阳一生释放能量的总和,而这么大的能量往往集中在最后的一秒之内爆发,所以在那一刻,整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它。

从2015年9月至今,“引力波之发现”的消息像一只调皮的幽灵,以形形色色的版本穿梭于天文和物理学界,它时隐时现,像剂量不断增强的兴奋剂,一次次激起人们的窥探欲。在北京时间2月11日晚11点30分,美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布,LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合,科学家直接探测到了引力波!

距离爱因斯坦第一次预言引力波的存在已经过去100年了,在这一个世纪间,脑洞大开的科学家如何于无声处听惊雷,寻找微弱的引力波信号后对应的剧烈物理过程?

文章图片均由作者本人提供。文章首发自作者本人微信公众号:天文八卦学。

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