您的位置
主页 > 经验心得 » 正文

为了捕捉引力波,地球上打造了一处振动最小的地方

来源:www.jz265.com 点击:582

北京时间9月3日,据国外媒体报道,在美国路易斯安那州的LIGO(激光干扰引力波天文台)附近,一旦汽车进入2.4公里范围内,就必须以每小时16公里的速度行驶。这是因为LIGO天文台配备了一个巨大的精密设备,即使很小的振动也可以捕获。

▲LIGO探测器位于美国路易斯安那州。为了准确捕捉细微的引力波干扰,探测器的干涉臂长达4公里。

因此,在LIGO天文台工作的科学家必须尽可能消除所有可能的噪声源,包括降低探测器附近的车辆速度,监测地面的微妙振动,甚至将设备悬挂在空中特殊的摆锤系统,以减少振动。到最低等等。科学家们渴望在地球上创造一个极度振动,“最安静”的地方。

为什么LIGO物理学家如此着迷于消除噪音和减少振动?为了理解这一点,我们必须首先了解引力波是什么以及LIGO如何检测引力波。

根据广义相对论,空间和时间都是同一连续体的一部分,称为“时间和空间”。在空间和时间中,快速加速的大型物体会产生引力波,就像石头被扔进湖中时涟漪一样。这些引力波反映了宇宙纹理的伸展和收缩。

为了测量这种时空变化,使用称为“干涉仪”的仪器。原理如下:当引力波在一个方向上拉伸时,如果水中有浮标,它也会使时空在垂直方向上收缩。当一波水流过时,浮标会上下浮动。当引力波穿过地球时,地球上的所有物体都会像振动之前和之后的浮标一样轻轻摇摆。而不是上下振动。

LIGO探测器由激光光源,分束器,多个反射镜和光探测器组成。光束离开激光后,被分束器分成两个相互垂直的光束,然后沿着两个干涉臂移动相等的距离,由干涉臂末端的镜子反射,然后撞击光电探测器。当引力波穿过干涉仪时,其中一个干涉臂将略微伸长而另一个略微缩短,因为如前所述,引力波将沿一个方向伸展并同时沿垂直方向压缩。时间和空间。这种变化非常小,但可以通过撞击光电探测器的光来反映。 LIGO的检测灵敏度有多高?相当于测量从地球到最近的恒星(约4.2光年)的距离,误差不超过人发的直径。

为了达到如此惊人的灵敏度,科学家们必须尽可能地消除任何可能干扰这种精密设备的因素。首先,这两个4公里的干涉臂是地球上最完美的真空,里面几乎没有分子,因此没有任何影响光束的路径。探测器还装有各种监测设备,如地震仪,磁力计,麦克风和伽马射线探测器,以检测和消除数据中的干扰。

科学家必须及时发现任何可能干扰信号的因素,或者可能被误解为引力波信号并排除它们。这些因素包括探测器自身的缺陷(所谓的噪声),或者不是由天体物理学产生但可能由仪器检测到的干扰信号。物理学家甚至必须考虑构成探测器镜面的原子的振动,以及电子元件中电流的意外波动。在较大规模上,大量的货运列车在附近经过,像乌鸦饮用水一样小,可能会造成干扰。

这些干扰可以说是非常棘手的。有一段时间,测量引力波探测器周围地面运动的仪器总能检测到数据尖峰并始终找到原因。直到几个月之后,科学家们才发现问题的根本原因:一块石头卡在弹簧中间和通风系统的地面上,导致通风系统的振动不会反射到探测器。可以看出,当探测来自遥远宇宙的小振动时,它取决于地球上的实际情况。

最重要的是,人类已经建造了三个引力波探测器。除路易斯安那州和华盛顿州的两个探测器外,还有一个位于意大利。因此,如果真的是因为货运列车或小石头造成的干扰,它只会显示在其中一个探测器的信号中。

利用这些高端工具和复杂的算法,科学家们可以计算出信号确实是引力波信号的概率。当检测到信号时,甚至可以计算出信号是“误报警”的可能性。例如,在前两个月检测到的信号的“误报率”低至200,000年,表明它极有可能是引力波信号。当然,我们必须等到最终决定发布才能确定这100%。