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

  • 习近平出席2025年上合峰会国际贵宾欢迎宴会

  • 习近平主持“上海合作组织+”会议并发表重要讲话

独家策划

推荐阅读
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
加载更多