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为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

天文八卦学?? 2016年02月14日 ?? 收藏1
五花八门的引力波探测器中,为什么是LIGO真的笑·笑出声·笑到了最后?

1、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:

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

韦伯教授在调试他的引力波探测器(1965年)

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。

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

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。

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。

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。

2、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。

1)隔离震动

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

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:

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

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:

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

震动隔离平台。主动减震。

2)干涉

我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话,看下图:

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

两束光,峰谷对应,得到的光峰谷分别加强,总光强更强;峰谷错位相消,则最后什么光都没有剩下。

这样,光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

3)功率倍增器

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

激光越强,干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果,LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增,LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射,并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路,形成所谓“能量循环”,满足了LIGO的功率要求。

4)镜子

为发现引力波,LIGO用上了这些黑科技

纯二氧化硅打造,每300万个光子入射,只有1个会被吸收。一个字,亮。

5)真空

LIGO的激光臂全部在真空腔内,其真空腔体积在地球上仅次于LHC(欧洲的大型强子对撞机),气压仅为万亿分之一个大气压。

6)反射

有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境,LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长,让它能以1600 km的臂长,探测更低频的信号,并且得到更显著的测量结果。

发布会上,美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”,诚哉。


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探测器? 微波?

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