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

  • 第七届上海国际艺术品交易周举行

  • 扎根山村的“姐妹花”

独家策划

推荐阅读
以“智跃无界,开源致远”为主题的操作系统大会2025(以下简称“大会”)在北京举办。
2025-11-14 17:08
我国在4个国家开展6处文物古迹保护修复,49项中外联合考古项目涉及28个国家和地区,用实际行动践行全球文明倡议、不断丰富世界文明百花园。
2025-11-13 07:07
由四川省人民政府主办的2025世界动力电池大会12日在宜宾市开幕。
2025-11-13 04:55
据估算,太阳每秒钟释放的能量,可供全人类使用约70万年。模拟太阳来产生无尽的清洁能源,也因此成为人类的“终极能源梦想”。
2025-11-13 04:55
日前,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所、中科合肥智能育种加速器创新研究院联合发布重要成果:全链条机器人育种家“小海”与“海霸设施”小麦快速育种商业化服务平台同步启动,标志着我国在智能育种装备与工程化应用上取得关键突破。
2025-11-13 04:55
日前,记者从全球规模最大的恐龙蛋化石遗址——湖北青龙山恐龙蛋化石群国家级自然保护区获悉,数字化档案建设团队正为库藏的每一枚较完整恐龙蛋化石,赋予由“保护区名称—化石产地名称—库藏箱编号—标本编号”构成的唯一“身份证ID”。这标志着该保护区首次实现恐龙蛋化石专属标识管理。
2025-11-13 04:55
困扰无数人的睡眠问题,终于有一部纪录片说清楚了!
2025-11-13 08:55
国家卫生健康委百万减残工程专家委员会主任委员、中国医学科学院北京协和医学院院校长吉训明介绍,目前,全国已有20个省份成立减残工程专委会,8个省份正在积极推进。
2025-11-12 07:24
2025年是中国科学院院士、我国理论物理学奠基人、“两弹一星功勋奖章”获得者彭桓武诞辰110周年。
2025-11-12 07:23
由中国科学院昆明动物研究所牵头,联合国内外多家科研机构组成的研究团队,通过对现存及灭绝长臂猿的大规模基因组测序与比较分析,系统阐明了长臂猿科的演化历程、种群动态及其标志性长臂表型的遗传基础,为全球长臂猿的保护行动提供了新的科学见解,相关研究成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。
2025-11-12 05:10
11月11日,长征八号甲遥五运载火箭在海南商业航天发射场成功实施转运,计划择期发射。
2025-11-12 05:10
近日,中核集团中国原子能科学研究院主导建设的量子放射性计量实验室及电离辐射计量级设备“一线多用”产研平台正式投入运行,成功填补我国在低温量子磁量热计领域的空白。
2025-11-12 05:10
在数据管理与使用方面,《实施方案》提出,实行物流公共数据分类分级管理,规范开展数据授权运营,扩大路网、轨迹、企业、人员等关键数据供给。
2025-11-11 10:03
中国科协日前发布的《中国科技期刊发展蓝皮书(2025)》显示,我国科技期刊总量持续增加,从2023年的5211种提升至2024年的5325种,整体影响力稳步提升。
2025-11-11 10:04
空天地一体化网络作为国家信息化的重要基础设施,其战略意义远超普通通信技术范畴,它不仅是我国实现信息全球覆盖、自主创新的必由之路,更是在数字时代掌握发展主动权的关键布局。
2025-11-11 10:02
拔尖创新人才培养不是考验瞬间爆发力的短跑,而是需要长期持久力的马拉松。 在课程体系搭建上,北航实验学校打造了“五级阶梯式”科技创新人才贯通培养课程群,实现从基础普及到进阶的无缝衔接。
2025-11-11 10:00
日前,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》(以下简称《意见》),对相关工作作出部署。
2025-11-11 09:50
11月9日,国航C919重飞“两航起义”航线主题航班从香港飞抵天津,重温76年前“两航起义”的北飞航程,致敬“两航起义”爱国壮举。“两航”后代陈绍曾介绍,76年前,“两航起义”飞行员从香港驾驶12架飞机飞抵北京、天津,建设新中国民航事业。
2025-11-10 10:10
“超级细菌”指那些对多种抗生素具有耐药性的细菌。研究人员在一种常用药物的生产流程中意外发现一种很有前景的强效抗生素,能够杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等“超级细菌”。
2025-11-10 10:09
11月9日,2025年世界互联网大会乌镇峰会在浙江乌镇闭幕。世界互联网大会秘书长任贤良用“聚焦构建网络空间命运共同体理念”“关注创新发展热点议题”“不断擦亮峰会品牌”“持续贡献智慧力量”概括了本届峰会的特点。
2025-11-10 10:08
加载更多