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全球最大引力波天文台蓄势待发

2019-08-15 15:31:59来源:励志吧0次阅读

  在美国巴吞鲁日市东边的路易斯安那沼泽中,每日例行的搜寻引力波的研究直到下午才能正式开始。在早晨就开展研究是注定要失败的,因为附近充斥着州际公路嘈杂的车流、火车的呼啸声和伐木工人手中时断时续的锯木机伐木声。

  路易斯安那州立大学物理学家Ryan de Rosa很清楚有一个漫漫长夜在等着他。Rosa与其他6名科学家和工程师正在努力完成对探测器的升级工作,以便完全掌控位于研究设施中心位置的光束。通过精确控制光束的投射方向以及准确测量光束穿过的距离,干涉引力波天文台 (LIGO)小组希望观测到引力波产生的与众不同的振幅。爱因斯坦曾于近100年前预测,时空中存在引力波,但是引力波产生的振幅非常轻微,到目前为止还没有研究者能直接探测到它。

  另一组来自汉福德核设施的研究小组将于近日抵达LIGO的驻地。该小组使用与LIGO同样的研究设备,如果两个研究小组能够强强联合,联通后的设备将价值6.2亿美元,能够在明年开始收集资料。升级后的设备将是世界上对引力波最敏感的探测器,很有可能帮助LIGO成为第一个直接探测到引力波的研究小组。

  围绕着引力波的探测,研究者之间的竞争十分激烈,因为直接探测到引力波将开启天文学研究领域的新纪元。天文学家称,找出引力波的来源将给予他们新的研究方法,以探究黑洞碰撞、恒星湮灭及时空振动的秘密。引力波是打开动态宇宙研究的一扇窗。

  无处不在却无影无形

  理论上说,地球充斥着引力波,这些引力波可以来自任何打破宇宙时空稳定的事件,就如同地震时产生的地震波一样。一颗正在走向灭亡的恒星会不断发生爆炸成为超新星,在爆炸过程中会释放出大量引力波。并不非常均匀的高密度物体释放出的引力波则相对更加富有节奏,例如自旋速度极快的中子星。其他能够产生引力波的来源可能还包括黑洞和相互环绕的中子星,它们会在运动过程中不断地彼此接近,最终爆发毁灭性的碰撞。

  1992年,在经过数十年的规划、修改及原型设计后,美国国家科学基金会(NSF)决定拨款2.72亿美元(2008年的美元购买力为4.2亿美元)建造专门用于引力波探测的干涉仪,并将之命名为LIGO。该计划需要两台一模一样的探测器,相互间隔数千公里,以便形成交叉探测阵型,增加准确率。其中一台布置在华盛顿,另一台就布置在路易斯安那州利文斯顿市。

  LIGO的问题在于,它究竟能够对引力波观测到什么程度。物理学家Rainer Weiss说: 当我们初次提出LIGO计划时,唯一的观测源就是超新星。我们认为可以通过观测超新星从而每年探测到1次,甚至10次引力波。 但是,升级后的电脑模拟给出了更加精确的答案,研究者每年有可能观测到的引力波能量波动远远低于原先的预期。即使有一颗超新星距离地球极近,但研究者仍然可能什么也探测不到。

  另一个担忧则指向中子星,研究者担忧LIGO难以从状态极不稳定的中子星上直接观测到引力波。马里兰大学理论天体物理学家Cole Miller曾于去年主持LIGO的外部科学顾问小组,他说: 研究者曾经对一些引力波来源的探测感到乐观,但实际情况却不是那样。

  但无论怎样,随着时间的推移,引力波探测正在不断取得进展,LIGO的科学家对通过观测中子星探测引力波一事越来越乐观。他们认识到,当这些恒星相互碰撞时,它们会释放出纯净的、易于被探测到的引力波信号,而LIGO对信号的敏感强度足以保证不会让这些信号从眼皮底下溜走。因为,即便在LIGO设备还未升级时,一样能够探测到距离地球20百万秒差距(6500万光年)的两颗中子星相互碰撞的信号。

  经过本次升级后,LIGO对引力波信号的敏感强度将稳步上升,最终将提高10倍。因此,升级后的LIGO的观测距离将不再局限在20百万秒差距,而是提升到150百万秒差距甚至200百万秒差距。这使得LIGO能够观测的宇宙范围增加了1000倍,并极大提升了直接探测到引力波的几率。

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