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2微米厚的镜面涂层,让LIGO发现了引力波

时间: 2017年02月06日 | 作者: Mitch Jacoby | 来源: 美国化学学会
LIGO的激光干涉实验中,镜面上的涂层是成功的关键。

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可以毫不夸张地说,是这些极薄的分子材料成就了过去几十年里的观测天体物理学。

 

这些金属氧化物加起来还不到2微米厚,但它们却是激光干涉引力波天文台(LIGO)中至关重要的材料。这种特殊的涂层让LIGO的镜子具有无与伦比的反射性,同时也让这对巨大的光学仪器检测到了引力波。

 

在相对论中,爱因斯坦把引力描述成了扭曲的时空。这个近100岁的理论认为,当巨型天体(如超新星、黑洞)加速运动时,会发射出大量的能量并产生引力波。引力波会在宇宙中传播,有时还会掠过地球。

 

用实验检测这些引力波是一件大费周章的事。在21世纪初,LIGO的科学家就开始寻找引力波了,可惜,虽然他们一直在监控探测仪器,却全无所获。

 

2008年时,研究团队试图改进整套设备。新的团队由来自加州理工学院(Caltech)、麻省理工学院(MIT)以及其他研究中心的超过1000名科学家组成,他们对LIGO的仪器进行了大修。其中非常关键的改良措施,就包括用带有极薄的氧化金属涂层的先进镜子替代以前的设备。

 

想要理解为什么这套2微米厚的涂层能在引力波探测中发挥如此重要的作用,就需要看一看LIGO的仪器肩负的重任。像傅里叶转换红外光谱(FTIR)一样,LIGO的探测仪射出的光在通过分束器后分成2束,分别沿着呈90度夹角的两个干涉臂前进。

 

但是与使用厘米级干涉仪的台式FTIR不同,LIGO仪器的双臂有4千米长。并且,探测仪并不探测分子,它们是被设计用于精确测量两臂间的瞬时亚原子尺度的变化的。干涉仪的4千米长的双臂一直延伸到列文斯顿的郁郁葱葱的郊区中。

 

根据爱因斯坦的理论,当引力波经过地球时,时空涟漪会轻微改变物体的长度,比如LIGO的臂长。此时来回在悬臂中弹射的激光就会因为路径长度不同,产生干涉现象,从而探测到引力波。

 

但是实际上,LIGO的首席探测器科学家Peter K. Fritschel表示,在这些信号的测量过程中需要花费巨力来消除各种细小的噪声来源。比如,来回弹射的激光束会细微地加热、扭曲镜面,甚至让镜子发生微小的偏移。

 

相比而言,质地更厚实的镜子就不太容易产生这种噪音。在大修的过程中,LIGO团队就把原来的11千克重的镜子换成了更宽、更厚的40千克重的石英玻璃镜子。他们还对仪器进行了升级,防止环境震动和地震活动让镜子抖动。

 

他们还找到了最好的涂层,从而确保镜子保持极佳的反射性,这样就可以把光一直束缚在干涉臂中。通过这种方式能够保持光束的光强,使检测到极小的引力波信号的几率达到最大。

 

“涂层本身就面临许多难点,也有许多需要应对的限制,”Fritschel强调。比如,涂层的材料必须将由于涂层在室温下的分子振动导致的吸收和散射(热噪音)降至最低。而材料又必须和涂层技术兼容。

 

Fritschel说,LIGO团队和法国里昂第一大学的一个特种涂料研究中心(LMA)合作,最终决定用SiO2和掺杂了TiO2的Ta2O5制造涂层。实际制造的过程中,这两种材料需要互相交替覆盖,共计30层。它们除了吸收率比较低以外,折射率的差异也很大,可以增加涂层的反射性。

 

掺杂TiO2还能进一步增加两者间折射率的差异。LMA用离子束溅射技术来镀膜,用这种技术可以在镜面上留下极为平滑的涂层。根据美国物理学家,LIGO光学工作组前主席Gregory M. Harry的说法,多项测试都显示出,LIGO的大修让引力波信号的检测灵敏度增加了2倍左右。这项进步非常值得赞扬。

 

因此在2015年9月,也就是在更新后的仪器——aLIGO(Advanced LIGO)上线后几天,大家翘首以盼的事情终于成真了。一开始,没人相信这是真的。当Harry第一次看到信号的时候,他还以为这又是一次空运行(数据流中插入的假结果,用来测试仪器以及团队分辨信号的能力)。

 

加州理工学院的GariLynn Billingsley一开始也这么认为,“或许只是个恶作剧”,她说。Billingsley是管理部分LIGO光学部件的设计、制造和测试的高级光学工程师。

 

这个团队很快就排除了其他的可能性。Harry激动地说:“不用怀疑,我们真的检测到引力波了。我简直无法相信这是真的。”

 

位于美国两端的两组仪器几乎同时检测到了信号。研究人员对这些信号进行了审查。他们判定检测到了引力波。该引力波是两个黑洞在13亿年前并合成一个黑洞时产生的,它们的质量大约分别是太阳的29和36倍。

 

获得这些杰出的成就后,LIGO的团队急切地想了解更多关于引力波和黑洞的知识,他们还想要检测中子星并合和其他能够产生时空涟漪的天文事件。

 

想要达成这些目标,就需要进一步改良仪器,其中又包括了调优镜面的涂层。这可能需要在分子水平对涂层的进一步认识的推动,而在这个层面还有不少未解决的问题。

 

比如,掺杂TiO2可以减少热噪声,但是人们还不清楚这背后的机制。如果能够理解这背后的机制,那么涂层就能得到进一步的改良。Harry认为,虽然掺杂后的材料依然保持非晶体态,但掺杂可使钽、钛和氧的平均化学键距离变得更有规律。

 

他说:“我们的数据清晰地说明在掺杂后材料就会变得不那么无定形。”但是这种结构变化减少热噪声的机理还是一个开放的研究课题。另外一个尚待回答的问题就是能够改善薄膜性质的退火效应。

 

在追寻引力波数十年后,经过改进的探测仪终于检测到了引力波的确凿证据,LIGO的科学家对此表示欣喜异常。这是天文学新时代的开端。但是他们也希望进一步改良检测灵敏度,而完美的光学涂层似乎就是问题的关键。

 

Billingsley所说:“我们需要向化学家、材料科学家们求助,让他们帮助我们制造更好的涂层,弄清楚在分子层面上这些薄膜起到的作用。”

 

撰文 Mitch Jacoby

翻译 徐寒易

 

原文链接:http://cen.acs.org/articles/95/i4/Specialized-coatings-help-detect-gravitational.html 


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