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“科学重器”实现重大升级 引力波事件或成为常态

2019-04-06 15:04:23    创事记 微博 作者: 麻省理工科技评论   
图 |LIGO与引力波(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)图 |LIGO与引力波(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

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  作者/靖海

  来源:DeepTech深科技(ID:deeptechchina)

  2019年4月1日,全世界的天文学家、物理学家迎来了一个期待已久的大事件:经过对激光、反射镜及一系列设备的重大升级,位于美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)与欧洲的室女座干涉仪(Virgo interferometer),大幅提升了自己的探测灵敏度,正式启动了为期一年的第三轮引力波探测实验(O3)。升级后,LIGO 和 Virgo 发现引力波事件的概率将显著增加,开启了人类探索宇宙的新篇章。

  三年半以前的 2015 年 9 月 14 日,LIGO 和 Virgo 成功探测到了由十几亿光年之外的两个黑洞合并所产生的引力波,让人类第一次观察到了引力波——这个爱因斯坦在一百年前预测出的时空涟漪。短短两年之后,主持LIGO项目的雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish)和基普·索恩(Kip Thorne)就因此斩获2017年诺贝尔物理学奖,足见这项发现带给科学界的巨大震撼。

  而在刚刚完成的这次升级中,LIGO 的灵敏度提升了 40%,将人类探测中子星合并引力波事件的极限距离,从约 3.6 亿光年大幅提升至 5.5 亿光年。而 Virgo的灵敏度则直接提升了将近100%。

  LIGO 与 Vigro 一共有 3 台探测器,它们通过协同工作发现引力波事件的频率,将有望从之前的三年多11次,提升至惊人的每周 5 到 10 次。也就是说,从前天开始,人类对引力波事件的发现速度,将从“涓滴细流”,变成“滔滔江水,奔涌不绝”。

  从爱因斯坦开始,一百年来无数科学家梦寐以求、甚至奋斗一生,才终于盼来了的几次零星的发现,从前天起,将变成每天都可以期待的常态。对于这么重大的进展,科学界是非常兴奋的。

图 | LIGO(图片来源:MIT TECHNOLGY REVIEW)图 | LIGO(图片来源:MIT TECHNOLGY REVIEW)

  除了黑洞合并,提升了灵敏度的 LIGO 与 Vigro 还有望发现更多的中子星合并、尚未观测到的黑洞-中子星合并,以及其它一系列人们期待已久却很难一探究竟的宇宙事件。

  工欲善其事,必先利其器。如果说,2015 年 LIGO 与 Vigro 第一次发现黑洞合并引力波事件的意义,好比于 400 年前伽利略第一次把望远镜对准太空,找到了“日心说”的证据,将宇宙学研究带入了全新时代;那么这次改进之后的 LIGO 与 Vigro 将重新起航,这意味着使用引力波研究宇宙进入了常态化,并有望带来重大科学发现的持续性大爆发。

  什么是激光干涉引力波探测仪?

  根据广义相对论的预测,当两个质量大如黑洞的天体互相加速旋转时,会产生如同水波涟漪一样的时间与空间的变化——引力波。而当它们碰撞和融合时,则会产生一个较强的引力波。这个引力波会在宇宙中扩散,所到之处都会引起当地时空“比较明显”的扭曲与畸变,从而被远在地球的人类探测到。

图 |黑洞融合时产生的引力波(图片来源:NSF)图 |黑洞融合时产生的引力波(图片来源:NSF)
图 4|引力波会在宇宙中传播。(图片来源:NSF)图 4|引力波会在宇宙中传播。(图片来源:NSF)

  但这个所谓的“比较明显”,依然十分微弱。质量、密度巨大如黑洞的天体,在以接近光速的速度加速运动时产生的引力波,在到达地球时所能引起的空间畸变,大约只有十万亿分之一。相当于直径 1000 亿倍于地球直径的物体,出现了不到一根头发丝粗细的形变。因此,在预测出引力波的存在之后,爱因斯坦本人对于能否真正造出引力波探测仪,并没有过多少指望。

图 | 当引力波传播到地球时,地球的时空也会出现畸变,但这个畸变非常小。只有LIGO这样的装置才能探测出来。(注:图中所示的畸变效果经过了夸大,但趋势是这么个趋势。)(图片来源:NSF)  图 | 当引力波传播到地球时,地球的时空也会出现畸变,但这个畸变非常小。只有LIGO这样的装置才能探测出来。(注:图中所示的畸变效果经过了夸大,但趋势是这么个趋势。)(图片来源:NSF)

  直到一个世纪后,爱因斯坦的后辈科学家们,造出了LIGO。

  LIGO 系统是由两个相距 3000 公里(分别位于美国南海岸的 Livingston 和美国西北海岸的 Hanford)且完全相同的探测器组成。每个探测器包含两个长度为 4 公里、布置成 L 形的真空管。在L型的拐角处,科学家们会发射激光束,并让其沿真空管方向传播。每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回。在同等的条件下,两束激光应该在完全相同的时间返回源头,由于干涉效应,到达下图右下角的光电探测器的两束激光会相互抵消,因此探测器是探测不到激光的。

图 |正常情况下,由于干涉效应,到达下图右下角的光电探测器的两束激光会相互抵消(图片来源:MIT)  图 |正常情况下,由于干涉效应,到达下图右下角的光电探测器的两束激光会相互抵消(图片来源:MIT)

  然而,如果有引力波穿过探测器,根据爱因斯坦 100 年前的预测,会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩。尽管这个形变很小,但在真空管4公里的尺度上,足够让两束光线的传播距离出现激光波长尺度上的差异,使得到达光电探测器上的光线有时不再能互相抵消,探测器就会探测到激光。这种“失衡”虽然十分短暂,但已足够让科学家们从中发现引力波的踪迹。

图 |引力波引起空间畸变,导致光线“泄露”到了探测器上。(图片来源:MIT)图 |引力波引起空间畸变,导致光线“泄露”到了探测器上。(图片来源:MIT)

  这次LIGO与Vigro做了怎样的升级?

  但这只是 LIGO 的工作原理。真正的设备要比这些动图复杂、精密得多。

  1984年,在美国国家科学基金会(NSF)的推动下,加州理工学院与麻省理工学院开始合作设计、建造激光干涉引力波天文台(LIGO)。

图 |麻省理工学院的LIGO团队。LIGO项目由麻省理工学院和加州理工学院共同承担。(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)  图 |麻省理工学院的LIGO团队。LIGO项目由麻省理工学院和加州理工学院共同承担。(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  1994 年,LIGO 正式开工,并于 1999 年完工。

  2002 年,LIGO 正式进行第一次引力波探测,虽然到 2010 年都未能探测到引力波,但是累积了很多宝贵的实际运作经验。

  2015年,灵敏度升级 10 倍以上的新 LIGO 刚刚上线,就探测到了引力波事件。

  这一次,LIGO 与 Vigro 在之前的基础上又做了大量的升级。

图 |硬件升级中的LIGO(图片来源:LIGO Scientific Collabration)图 |硬件升级中的LIGO(图片来源:LIGO Scientific Collabration)

  比如:  

  • 激光能量:激光的能量增强了一倍,使得探测引力波的灵敏度大幅提高。

     

  • 反射镜升级:位于Livingston 和Hanford的两处LIGO设施都对反射镜进行了升级。一共8个反射镜中,有5个都升级成了更加强大的新型反射镜。新型反射镜的安装给工程师们制造了不小的难题。

     

  • 噪音控制:光子的随机波动会造成量子噪音,从而增加测量的不确定性。这次升级中,科学家们通过使用一种叫做“压缩光(squeezing light)”的技术,可以把一部分对于测量精度至关重要的相位噪声,“转移”到对于测量来说不那么重要的振幅上,从而提高测量的灵敏度。

图 9 压缩光设备安装(图片来源:LIGO Scientific Collabration)图 9 压缩光设备安装(图片来源:LIGO Scientific Collabration)

  这些改进花费了工程师们数月的时间。如今,精度提高了 40% 的 LIGO 和提高了 100% 的 Vigro 已经整装待发,他们的目标,是人类从未到达过的宇宙深处。这是真正的“星辰大海”。

  可能的新发现会有哪些?

  更新后的 LIGO 与 Vigro 会有什么令人激动的新发现?

  常言道,没有量变,就没有质变。

  由第二轮引力波探测实验(O2)开启的宇宙探索的“多信使”时代,如今将正式成为宇宙学研究的新常态。如果说 11 次引力波事件的偶然发现,让我们打开了研究宇宙的新大门,那么随着升级后多得多的黑洞融合、中子星融合等引力波事件的持续发现,将注定让我们可以进一步探索出宇宙的过去、现在与未来。

  著名科技杂志 New Scientist 在其网站上总结出了 5 个可能会出现的新发现:

  • 黑洞如何配对?

  到现在为止我们还不知道两个黑洞为什么会来到对方身边,彼此共舞。是产生它们的恒星根本就是一对?还是成熟的黑洞以某种方式通过与其他物体的相互作用被推到一起?通过观察它们的旋转是否一致,我们将有可能得到答案。

图 |配对的黑洞(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)图 |配对的黑洞(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  中子星内部是怎样的?

  中子星的体积只有一座城市大小,但质量却有一个恒星那么大,是除了黑洞以外密度最大的星体。升级前的 LIGO 与 Vigro 曾经发现过一次中子星碰撞产生的引力波涟漪,升级后的它们将有可能通过更多次的发现告诉我们,中子星里面到底藏着什么秘密。

图|中子星(图片来源:NASA)图|中子星(图片来源:NASA)

  超新星内部又是什么?

  超新星爆炸是宇宙中最炫酷的“烟花”。这种爆炸极其明亮,过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系,可以持续几个星期甚至几个月之久。到目前为止,我们已经观测到了不少超新星爆炸产生的电磁波——包括 1000 年前中国的一次观测。升级后的 LIGO 与 Vigro 将有望探测到它们产生的引力波。这些引力波将有助于我们对超新星的内部进行观测。

图 |蟹状星云——宋朝人民见证过的超新星(图片来源:NASA)图 |蟹状星云——宋朝人民见证过的超新星(图片来源:NASA)

  广义相对论也会失效吗?

  2016 年,有科学家在对 2015 年观测到的引力波数据进行认真分析后表示,他们在黑洞边缘发现了引力波的“回声”。如果他们是对的,就意味着黑洞周围存在一圈高能粒子,称为“火墙”。这与爱因斯坦的广义相对论相矛盾,意味着 LIGO 在证明了广义相对论预测的引力波的同时,可能也顺便证明了广义相对论会在黑洞边缘失效。是真是假, LIGO 和 Vigro 的第三轮观测可能会解决这个问题。

图 14 黑洞(图片来源:NASA)图 14 黑洞(图片来源:NASA)

  甚至于,黑洞本身是否真的存在?

  黑洞之所以被叫做“黑”洞,就是因为我们看不见它。我们只能看到气体、尘埃和恒星落入其中,现在也能探测出它发出的引力波,但这还不够。至少有一部分我们认为是黑洞的天体,可能压根就不是黑洞:这些天体有着特殊的结构,不会坍塌为一个黑洞,但同样会扭曲时空。如果我们能够找到频率显著不同的引力波,就有可能找到这个问题的答案。

(图片来源:WIKICOMMONS)(图片来源:WIKICOMMONS)

  以上的这五个问题,无一例外都是困扰天文学界的重大问题。

  然而,这些问题的提出,都还是基于我们现在已有的对宇宙的认知。而在我们的认知之外,LIGO 和 Vigro 将很有可能给我们很多未知的惊喜。

  引力波探测一直以来都是是全人类的大事,早在2014年,中国就提出了“天琴计划”。并且在今年的两会上,全国人大代表、中山大学校长罗俊院士也透露,位于珠海的“天琴一号”地面观测台站已经基本建成,目前正在进行设备安装调试,即将运行。“天琴一号”技术验证试验卫星预计今年年底前发射。位引力波探测地面模拟装置进入可研阶段。

  前两天,清华大学宣布成立天文系的消息(清华大学也是LIGO计划的参与方),也引爆了无数网友“重新高考”的冲动,而这次LIGO和Vigro的升级,则是扎扎实实的天文研究“利器”的大跃进。究竟这次的升级会给我们带来什么成果,我们暂时还不知道,但它已经让科学界兴奋异常,无比期待。

  -End-

  参考:

  http://news.mit.edu/2019/lisa-barsotti-improved-ligo-gravitational-waves-0401

  https://www.newscientist.com/article/mg24132234-200-the-5-biggest-physics-questions-that-ligos-reboot-could-soon-answer/

  https://www.ligo.org/news.php

  https://www.ligo.org/news/pr-O3resumes.pdf

  https://www.geekwire.com/2019/ligo-virgo-detectors-get-sync-gravitational-wave-hunt-thatll-last-year/

  https://my.ligo.org/census.php

  https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational-wave_observatory

  https://zhuanlan.zhihu.com/p/27209262

  https://www.youtube.com/watch?v=B4XzLDM3Py8

  https://www.technologyreview.com/s/603069/listening-to-the-heavens-the-discovery-of-gravitational-waves-proved-einstein-right/

  https://www.technologyreview.com/s/601147/a-40-year-quest-to-prove-einstein-right/

  https://www.technologyreview.com/s/600791/gravitational-waves-have-been-discovered-opening-a-new-window-on-the-universe/

  http://news.mit.edu/2017/ligo-virgo-first-detection-gravitational-waves-colliding-neutron-stars-1016

  http://kpzg.people.com.cn/n1/2016/1215/c404389-28952037.html

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