点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:聆听五音俱全的引力波宇宙 | ②地基引力波探测
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

聆听五音俱全的引力波宇宙 | ②地基引力波探测

来源:光明网2020-04-21 09:56

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大家好,我是国家天文台的陆由俊。今天我们继续谈引力波,地基引力波探测。

  倾听宇宙之音的“耳朵”,首先是从地面上开始被建起来的,我们称之为地基引力波探测器。地基引力波探测器主要有两类:共振质量引力波探测器和地基激光干涉仪引力波探测器。

  共振质量引力波探测器就是利用了共振的原理,可以想象比如远处有一口大钟,被撞了一下开始产生声波,好比是引力波源,在你家里刚好也有一口钟,好比是共振质量引力波探测器,假如它的固有频率跟这一声波的频率相近,在声波的不停驱动下,自家的钟开始共振或共鸣,你通过测量自家钟的振动,就可以探测这一“声音”,也就是引力波。

  从中也可以看出共振质量引力波探测器的一大缺点,就是只对其共振频率附近的引力波比较敏感,而干涉仪则对很大频率范围内的引力波都很敏感,后面还会提到。

  美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯教授是引力波实验探测的先驱。韦伯率先制作了四台棒状的共振质量引力波探测器,排除种种干扰的噪声,并于1969年宣布自己的探测器探测到了引力波信号。紧接着,当时的苏联、美国、英国、德国和日本等许多国家都开始建造类似的棒状探测器,希望也能来“窥探”一下来自宇宙的“声音”。

  但很不幸的是,没有人能够重复出韦伯他的实验结果。于是,人们开始质疑他的数据分析得不对。就连包括斯蒂芬.霍金和基普.索恩在内的理论学家都对韦伯的结果产生质疑,认为韦伯宣称的探测信号强度远远超过任何天体可能发出的引力波强度,不可能是正确的。

  韦伯试图向世界证明,引力波是可以被探测到的。尽管韦伯失败了,但是他播下的引力波探测的种子却开始生根发芽,成长壮大,可谓引力波探测的“文艺复兴”。世界各国的引力波探测器建设也随之遍地开花,这其中就包括中国的中山大学建有自己的引力波探测器。

  由于棒状探测器的局限性,真正能“听到”引力波微弱的“声音”的“耳朵”,还是需要靠异常灵敏的干涉仪。干涉仪也有不同原理的干涉仪:激光干涉仪和原子干涉仪等。

  大部分地基探测器是激光干涉仪,主要包括在2015年最先真正探测到引力波信号的美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲的室女座激光干涉引力波天文台(Virgo)、日本的神冈引力波探测器(KAGRA)和将要在印度兴建的LIGO-India等等。它们都是L型的干涉仪,激光从中间发出,被一分为二,沿着两条几公里长的等长干涉臂,被反射多次后又重新会聚到一起相互干涉,干涉后信号可能相互增强,也可能相互抵消,干涉后信号的强弱可以被光子探测器观测到。

  由于光的波长很短,只有几百纳米,因此干涉臂的臂长哪怕只是发生了极其微小的变化,也能被探测器所检测到。当发自宇宙深处某一波源的引力波信号跨过时空,抵达地球经过干涉仪时,两条干涉臂的臂长会发生微弱但并不相同的变化,这就导致干涉后的信号的强弱随时间的变化。通过测量这个变化就能够捕捉到引力波信号的波形和大致的方向。

  美国激光干涉引力波天文台(LIGO)正是如此,在人类历史上首次捕捉到引力波的。这一引力波信号发自于13亿光年外的一对质量分别为36倍太阳质量和29倍太阳质量的黑洞碰撞和并合。

聆听五音俱全的引力波宇宙 | ②地基引力波探测  

图:美国先进激光干涉引力波天文台(Livingston)

  美国激光干涉引力波天文台和欧洲室女座激光干涉引力波天文台的灵敏度可以达到约10-22,它们在2015-2017年的前两期观测中已经确认探测到10例双黑洞并合事件和1例双中子星并合事件。特别值得指出的是2017年8月17日探测到的双中子星并合事件是第一次同时有引力波和电磁波多信使观测的里程碑事件,它开启了多信使观测天文学。2019年4月开始的第三期观测,它们已经探测到包括双黑洞并合、双中子星并合、中子星-黑洞并合等超过50例的引力波事件,但它们还有待进一步的分析和确认。

  人们相信在未来几年,地基引力波天文台会探测到成百上千的双黑洞、双中子星、黑洞-中子星并合引力波事件,由此带来对这些天体和系统形成演化的深刻理解。

  未来还会建造更高灵敏度的下一代地基引力波探测器,包括欧洲的爱因斯坦望远镜(Einstein Telescope; ET)和美国的宇宙勘探者(Cosmic Explorer; CE)。爱因斯坦望远镜的臂长达到10公里,整体是三角形结构的激光干涉仪,将放置于地下坑道中以避免地面振动的干扰。而宇宙勘探者则是类似于LIGO的“L”型的干涉仪,但它的臂长是40公里,尺度相当于一个大型城市。它们都是对10-1000Hz的高频引力波十分敏感,这段频率也恰好是声频的一部分。另外,爱因斯坦望远镜对1-10Hz范围的引力波也有比较好的探测能力。第三代探测器能够“听”得很远很远,甚至能“听”到在恒星形成之前的宇宙“黑暗时代”的声音。

  地基的这些探测器可以“听”到很多源:不仅包括前面提及的恒星级质量的双黑洞、双中子星、黑洞-中子星并合产生的引力波,还包括不对称的中子星的旋转产生的连续引力波、超新星爆发产生的引力波以及无数双星旋近并合所形成的引力波背景等等。它们对引力波信号的精准探测可以被用来检验广义相对论、黑洞理论,结合电磁波段的多信使观测有望解决中子星的状态方程疑难、超新星如何爆炸等等天文或物理的重要问题。一些波源还可以作为标准汽笛,通过引力波对它们距离的独立测量和电磁波对红移的测定,来探测宇宙本身的演化和测定宇宙中包括暗物质和暗能量在内的不同物质组分。

  此外,还有基于原子干涉仪的引力波探测器,比如法国的物质波激光干涉引力波天线(MIGA)以及中国计划建设的沼山长基线原子干涉引力波天线(ZAIGA),它们都结合了激光干涉与原子的物质波干涉,旨在探测0.1-10Hz的中频引力波,这个频段可以探测到一类比较重要的源,就是中等质量的双黑洞。

  中等质量黑洞是超大质量黑洞的种子,它们的存在一直缺乏天文观测的确切证据,但又具备重要的理论意义,中频引力波的探测有望弥补这一缺陷。

  今天我们就聊到这里。下一期,我们来谈谈空间引力波探测。

  主讲人简介:陆由俊,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学岗位教授,主要研究领域为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 宁夏:社火欢腾闹新春

  • 青海原子城里的“开学第一课”

独家策划

推荐阅读
太空探索技术公司下属企业xAI为该项目另一竞争方,尽管其创始人埃隆·马斯克长期表示反对开发“杀人的新工具”。
2026-03-02 13:02
国家能源局发布的数据显示:截至2025年底,我国可再生能源总装机达到23.4亿千瓦。
2026-03-02 09:57
多国正将AI、物联网与大数据融入现有空气监测体系,追踪大气变化,预警污染风险,为人类在数字时代的每一次呼吸保驾护航。
2026-03-02 09:56
北部湾海域油田无人机系统运营项目正式落地,这是我国海上油田首次实现无人机规模化作业,为海洋能源开发与低空经济融合提供了实践范例。
2026-03-02 09:55
很多人都有过这样的疑问:AI离真正成为“人”,到底还有多远?研究人员表示:有突破,但仍有难以逾越的鸿沟,短期内无法实现“类人完整智能”。
2026-03-02 09:55
人工智能不再只会“死记硬背”了——我国科研团队最新研发出一种新型神经网络,让AI能像人类一样,从看到、听到的信息里自己提炼概念、理解含义,还能互相交流。
2026-03-02 09:53
国家统计局2月28日公布《2025年国民经济和社会发展统计公报》。
2026-02-28 17:21
人们常说“眼见为实”,但如果今天再问一个问题:照片还能算现实的记录吗?答案或许已经不像过去那么简单。
2026-02-28 10:27
国家能源局27日发布的数据显示,目前,全国已有84个绿电直连项目完成审批,新能源总装机规模3259万千瓦。
2026-02-28 10:25
“具身天工3.0”刚刚发布——首届机器人半马赛事冠军正在加紧训练,成绩有望大幅提升;朱雀三号重复使用火箭蓄势待发,计划二季度再次挑战回收复用;小米汽车超级工厂的生产线一片繁忙,累计交付量已突破60万辆……
2026-02-28 10:23
今年以来,水利部指导督促各地抢抓河湖枯水期、施工影响小的窗口期,不断推动国家水网联网、补网、强链。
2026-02-28 10:22
几十年来,关于月球早期磁场是强是弱,科学界一直争论不休。如今,英国牛津大学科学家通过分析阿波罗任务带回的样本,发现月球曾拥有极强磁场,强度甚至一度超过地球磁场。
2026-02-28 10:19
发现分数量子反常霍尔效应和里德堡莫尔激子态,解决超导量子计算难题,攻克国产无液氦稀释制冷机和极高场全超导磁体等关键实验技术……
2026-02-27 09:39
2026年伊始,从美国拉斯维加斯消费电子展(CES)到中国春晚,中国自主研发的人形机器人频频“破圈”,多家中国企业的产品和应用不仅在海外业界引发热议,更是在全球社交媒体平台和国际媒体不断“刷屏”。
2026-02-27 09:36
中国人的“果盘子”里,苹果占据着举足轻重的地位。产业端加速向“数管+机器换人”转型,直播带货、跨境电商等新业态的兴起,也让中国苹果加速走向全球。
2026-02-27 09:35
随着2022年北京冬奥会的成功举办和“带动三亿人参与冰雪运动”目标的实现,中国滑雪装备产业正迎来前所未有的发展机遇。从笨重单调到轻便智能,从依赖进口到本土品牌崛起,滑雪装备的变迁不仅折射出中国冰雪运动的普及,更勾勒出一个新兴消费市场的崛起轨迹。
2026-02-27 09:32
记者从西北大学获悉,该校生命科学学院灵长类行为与进化发育研究团队的研究,揭示了亚洲叶猴物种表型的演化之谜。
2026-02-27 09:30
中国科学院近代物理研究所核结构研究团队与合作者通过高精度实验,明确了一种钼同位素释放其储存能量的关键机制,在原子核能量可控释放研究领域取得重要进展。
2026-02-26 09:46
电感器如同现代电子设备的“心脏”,让电流有序流动、设备稳定工作。
2026-02-26 09:35
“AI保姆”“智能教育助手”等产品,正以前所未有的速度和深度涌入未成年人的世界。不少家长感叹,这位无所不能、无时不在的“数字家教”成了解放自己的好帮手。
2026-02-26 13:44
加载更多