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

  • 神舟二十二号与空间站完成对接

  • 我国在建最北高铁全线铺轨贯通

独家策划

推荐阅读
近日,自然资源部发布了矿产资源节约与综合利用先进适用技术目录(2025年版),共有376项技术入选,其中新增入选186项,与2022年版相比有了大幅更新。
2025-11-26 10:26
全国科学技术名词审定委员会近日举办2025年度工作会议暨学术年会。
2025-11-26 10:24
不久前,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》,首次在国家层面对场景培育开放进行系统部署。看似细微的“场景”二字,实则内蕴驱动产业变革、催生颠覆性技术的巨大能量,是撬动全局创新的重要支点。
2025-11-26 10:22
光明日报北京11月25日电 记者温源从中交集团获悉,我国自主设计建造的新一代超大型耙吸挖泥船“通浚”轮25日在中国黄海海域成功完成全部海上试验项目,顺利返航停靠江苏启东振华船厂码头。“通浚”轮是我国首艘自主设计建造的35000立方米舱容等级超大型耙吸挖泥船,最大舱容达38168立方米,位列亚洲第一、世界第二。
2025-11-26 10:15
日前,记者来到广西南宁东部新城的宁福新能源科技有限公司生产车间,这里的机械臂精准协作,生产线正全速运转,每天超10万颗电池下线发往全球。依托面向东盟的比较优势,南宁将新能源电池产业列为核心牵引性产业,以全产业链思维开展精准招商。
2025-11-26 10:13
传统无机颜料虽然色彩稳定,却因重金属添加而存在健康风险隐患。“新型稀土环保颜料的呈色策略突破了传统颜料的局限,其出现及量产不仅解决了传统颜料有毒性、环境污染等问题,还在稳定性和生产成本上展现出显著优势。
2025-11-26 10:06
《办法》明确,卫星导航定位基准站的建设和运行维护实行统一规划、统一标准、统一监管,以“合理布局、依法备案、资源共享、保障安全”为原则,必须符合国家有关法律法规、技术规范和标准。
2025-11-25 09:43
稳步提升乡村建设水平,包括优化乡村规划布局、推进基础设施提档升级、推动公共服务普惠均等、探索创新乡村建设推进方式等。
2025-11-25 09:40
机器人完成一个后空翻动作,关节转动误差需控制在0.5度以内;医疗植入人体的陶瓷关节,表面粗糙度若超过0.1微米
2025-11-25 03:05
党的二十届四中全会指出,“加快人工智能等数智技术创新,突破基础理论和核心技术,强化算力、算法、数据等高效供给”。
2025-11-25 03:05
11月24日,中国科学院国家空间科学中心召开空间科学先导专项最新亮点成果发布会,集中发布了空间科学卫星任务在宇宙暂现天体、宇宙线传播、太阳爆发等领域取得的系列重大科学突破。
2025-11-25 03:05
随着人工智能技术的飞速发展,各个领域都在发生深刻变革,教育系统也刮起了AI风。
2025-11-25 03:05
燕矶长江大桥是亚洲首个专业货运枢纽机场——鄂州花湖国际机场的重要配套工程,是鄂黄第二过江通道的重要组成部分。
2025-11-24 09:02
11月23日,由中国半导体行业协会、中国电子信息产业发展研究院主办的第二十二届中国国际半导体博览会在北京开幕。
2025-11-24 03:15
从国家管网集团西部管道有限责任公司获悉,截至11月21日,我国最长原油管道——西部原油管道实现安全平稳运行18年,累计输送原油超2亿吨。
2025-11-24 03:15
作为中国和南非两国合作推动科普教育的重要实践,中国科学技术馆与南非Sci-Bono科学中心合作建设的“倾听科学空间”21日正式向公众开放。逾百嘉宾和观众到场体验。
2025-11-24 03:15
为AI4S领域培养兼具理论素养与产业落地能力的复合型人才,同时助力企业技术创新与行业生态构建。
2025-11-24 03:15
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
加载更多