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

  • 倒计时2天!人工智能安全治理分论坛即将举行

独家策划

推荐阅读
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
深夜,河南焦作多氟多新材料股份有限公司的实验室依旧灯火通明,总工程师闫春生还在带着团队忙碌。 2006年,多氟多打响了由传统氟化工向精细氟化工、新能源材料转型的战役,闫春生临危受命加入六氟磷酸锂研发团队。
2025-09-15 09:51
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
全球规模最大恐龙蛋化石群——湖北十堰青龙山恐龙蛋化石群的埋藏时代,首次被科学家认定为距今约8600万年。专家考证,这是迄今全球分布最集中、规模最大、埋藏最好、原地出露最多、原址保存最好的恐龙蛋化石群。
2025-09-12 09:58
9月10日上午,在马来西亚吉隆坡召开的国际灌排委员会第七十六届国际执行理事会会议上,2025年(第十二批)世界灌溉工程遗产名录正式公布,我国申报的云南元阳哈尼梯田、江苏句容赤山湖灌溉工程、四川彭州湔江堰、北京门头沟永定河古渠灌溉工程全部成功入选。
2025-09-11 10:18
“十四五”以来,我们牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,全力当好自然资源“大管家”和美丽中国“守护者”,全面完成了“十四五”规划的目标任务,有效支撑了经济社会的高质量发展。
2025-09-11 09:57
未来,城市的画卷上,AI、物联网与大数据等现代科技将继续深化推广,但唯有始终以人的尺度丈量技术,以人文的关怀驾驭创新,方能使城市永葆文气的深度、人气的热度与烟火气的温度,让每座城市都在科技的守护中,找到生生不息的发展动能。
2025-09-11 09:52
北京大学的科研团队与合作者联合开发出一种全新的“高维超分辨成像”技术,成功实现了对活细胞内15种细胞器的同时成像与精准识别,为细胞生物学研究打开了一扇全新的大门。
2025-09-11 09:43
要为“年纪尚小”的新职业破解“成长的烦恼”,不仅要完善新职业的职业标准和评价规范,还要有能跟上步伐的教育培训和职业培训,为新职业从业者提供支持政策,提升社会保障水平,以更好的保障制度、更强的身份认同感、更完善的培养体系为新职业就业者提供更广阔、更精彩的发展舞台,让他们在与时代“同频共振”的岗位上实现人生价值,也为创新创造的活力涌动持续贡献力量。
2025-09-11 09:39
宋美珍是中国农科院西部农业研究中心的棉花研究专家。2012年起,她和团队将目光瞄准新疆的棉花种植,成为当地棉花研究的一支重要技术力量。
2025-09-10 10:09
“十四五”以来,我国制造业增加值每年均超过30万亿元,总体规模稳居全球制造业首位。这份沉甸甸的成绩单,印证着推动新型工业化取得的新进展新成效。
2025-09-10 09:47
9月9日,2025年中国国际服务贸易交易会开幕前夕,记者跟随首钢媒体探营团,走进北京首钢园,提前探访服贸会的精彩内容。
2025-09-10 09:40
9日10时,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将遥感四十五号卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2025-09-10 09:39
光明日报北京9月9日电 记者李春剑从市场监管总局了解到,自2021年全国机器人标委会成立以来,我国已发布机器人领域国家标准126项,另有41项正在研制。近日,世界机器人大会和世界人形机器人运动会火爆“出圈”,相关产业发展引起各方热议。
2025-09-10 09:36
加载更多