引力波探测器LIGO是个什么鬼?

2016年02月12日 08:24 综合
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  金庸的小说《射雕英雄传》里有一种功夫叫做“降龙十八掌”,其中有一式叫做“飞龙在天”,这当然是很厉害的招式。如果把一个“龙”字放在一个“天”字上,请问这个字怎么读?这个字的读音是yan(第三声,音同表演的"演")。

  王?,1984年出生在辽宁,南京大学天体物理学士,德国爱因斯坦研究所博士, Stefano Braccini Thesis Prize 奖获得者,出版斯普林格图书《First-stage LISA data processing and gravitational wave data analysis》。目前在西澳大学担任研究助理教授。

  最近,据说美国的引力波探测器LIGO也想学NASA整个大新闻,于是蝌蚪君独家专访了引力波探测器LIGO方面的专家王?博士,向他请教了引力波探测器LIGO的一些基础知识。

ligoLIGO外观

  LIGO内部有一个麦克尔逊干涉仪

  蝌蚪君:“LIGO在美国的华盛顿汉福德(Hanford, Washington)与路易斯安娜州各有一个激光干涉仪,对吗?”

  王?:“是的。”

  蝌蚪君:“这些激光干涉仪工作的基本原理是什么?”

  王?:“就是麦克尔逊干涉仪。”

  麦克尔逊干涉仪,在历史上曾经因为验证了以太不存在,从而导致爱因斯坦提出“在惯性参考系中光速是不变的”的基本原理,成为一个光学领域的经典仪器。 在红外光谱领域,因为要检测一些有机物的分子光谱,也使用麦克尔逊干涉仪。简单地说,这种干涉仪内部有两束光,如果这两束光走过的路程一样长,那么它们重 逢的时候出现的干涉条纹中间是亮的,如果这两束光走过的路程不一样长,则出现干涉条纹中间部分就没有原来那么亮了。

  蝌蚪君:“通过检测干涉条纹中心的光斑亮度,引力波探测器LIGO可以知道光程有没有发生变化?”

  王?:“是的,当然实际工作过程中,LIGO的光路中光线还需要来回反射很多次,这样有效光路变长很多倍,能提高检测的灵敏度(精度)。”

  引力波探测的精度是10^(-21),这个数字是 0.000 000 000 000 000 000 001,相当于测量地球到太阳的距离精确到原子半径的大小。

  干涉仪的臂长与可探测到的引力波中心波长之间的关系

  在实际的LIGO引力波探测器中,激光麦克尔逊干涉仪的干涉臂的臂长达到4公里,在多次反射后可以达到几千公里, 这一干涉长度对引力波的中心频率为100赫兹的信号最为敏感。

  蝌蚪君:“干涉仪的臂长与引力波的中心波长之间大概是什么关系?”

  王?:“粗略得说就是干涉仪的有效臂长, 就是可探测的引力波的中心波长。”

  蝌蚪君:“LIGO引力波探测器100赫兹的引力波信号对应于什么样的天体物理过程?”

  王?:“大概有四个过程,第一种情况是致密双星的合并过程中发出的引力波,比如1到100个太阳质量的致密天体(如中子星,黑洞)之间的合并过程就发 出这个频段的引力波信号;第二种情况是中子星的自转,当一个中子星的质量分布不对称的时候,它有一个随时间变化的四极矩,这个时候也会辐射出这个频段的引 力波;第三种情况就是burst过程,就是一些短期的爆发源,比如超新星爆炸过程,时间很短,其引力波信号也很不规则,其频率也在LIGO引力波探测器的 探测范围内;第四种情况就在宇宙学方面,早期的宇宙大爆炸会有随机的引力波背景,这个极早期的涨落现在比较难探测,但也在LIGO引力波探测器的探测范围 内。”

  曾经提出类elisa的引力波探测技术方案

  对于引力波探测计划,除了有“在地面的LIGO引力波探测器,还有在天上的卫星做成的elisa计划。王?博士曾经提出了一种不用于elisa的引力 波卫星计划,在这个技术方案中,一共有6个卫星,它们的空间结构满足一个正八面体的形状,这个装置与elisa的三颗卫星不同,是放置在第一拉格朗日点。

  王?说:“这种八面体结构的优点是,可以消除卫星的加速度噪音以及卫星时钟的噪音。”

wangyan 

  当然,引力波是很难探测的,引力波探测界有一个大佬叫Bernard Schutz。四年前,他曾在北京大学做学术报告时发表感慨说:"我们花了几十亿美元找引力波,还是没找到,有时候我晚上碎觉想想,我怎么能和老婆睡自己床上呢?我TM应该睡监狱里啊。"

  王?是奋战在探索深层次宇宙奥秘第一线的年轻中国学者,我们期待他参与的引力波探测事业能给我们人类文明前进带来新的推动力。

  本篇采写  蝌蚪五线谱   张轩中

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