使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 观点 > 博客 > Elizabeth Tasker

搜寻引力波

作者: admin 来源: 中国数字科技馆

来自于爱因斯坦广义相对论的预言,荡漾着穿过宇宙的引力波,一直都在躲避搜索的目光,而物理学家并不会放弃。

图片1.png 

两个正在合并的黑洞,模拟源:Henze, NASA

在日本储物柜随处可见,所以当我到达东京广尾车站时自然也会去找储物柜。但却找不到,这着实让我吃了一惊。这就意味着我要冒雨拖着行李箱赶路了,但远不止这么简单,我当时正在赶往一个学术会议的路上,这个会议的主题就是物理学家们准备花费一百万美元去搜寻那个我们确定存在却还未找到的东西,因此这个小插曲给我带来了一种不详的预感。

一百年前,阿尔伯特Ÿ爱因斯坦预言时空这张巨大的布料中应该存在褶皱-时空的涟漪。在他所描绘的宇宙图景中,时空是一张绷紧的橡胶板,大质量物体使时空弯曲并产生压痕。引力就是这种弯曲的结果,它促使质量较轻的物体向着(在橡胶板中)嵌入更深的大质量物体运动。当物体运动时,橡胶板会在它的新位置上再度弯曲,这样就会在时空中产生振荡,振荡以引力波的形式向外传播。引力波能让我们窥见宇宙中那些最神秘事件,从坍塌恒星的内部到黑洞等等,或者应该说当我们发现它们时就能把它们当探针来用了。

可以想象得出,最强引力波的源头应该会是两大黑洞的合并。然而就算是这种罕见的大型宇宙事件对于时空的扭曲效应也是微乎其微的——仅能使地球和太阳的距离改变一个氢原子大小的宽度。委婉的说,这为观测带来了严峻的挑战。

要想达到必要的灵敏度,最有希望的方法之一就是利用光。具体来说是一项叫做激光干涉的技术,一束激光被分成两束并被分别送入两个几千米长的垂直轨道中。接着这两束光波会被反射镜反射到相同位置且再度合并。新合并的光波强度取决于两束光波峰和波谷的对齐情况(即相位差)。波在合并之前传播的路径长短决定了合成波强度的变化,其灵敏度是非常高的。

在引力波探测中,设计好的轨道长度正好能让其中一束光的波峰与另一束的波谷相遇。这被称为干涉相消,会使得合成光完全消失(译注:强度为零)。但当引力波经过时,它会扭曲轨道长度,改变两束光传播的距离。因此两列波的波峰和波谷就不会出现完美对齐,合成光不会完全被抵消,促使了信号的产生。

这就是美国探测器LIGO背后的技术。LIGO 2005年到2010年间进行了为期3.5年的观测,然而并没有发现引力波的任何迹象。不过之前它的灵敏度只能够探测到超高强度的引力波源,而这类事件在我们的星系中实在太少见了。现在,正值爱因斯坦预言的一百周年之际,LIGO 进行了重要升级(现在它叫做先进LIGO了),而日本正在启动一台新的探测器。现在是时候大干一场了。

深埋在日本岐阜县池野山200米的Kamioka引力波探测器(KAGRA)即将首次启动它的激光。这个项目由2015年诺贝尔物理学奖得主梶田隆章(Takaaki Kajita)带领。KAGRA具备超高灵敏度,能够探测到7亿光年外的引力波,探测距离是上代探测器的十倍之多。它的主要目标的是双中子星——这种极度致密的恒星尸体,它们在环绕对方运转并衰变的同时以引力波的形式向外辐射能量。KAGRA巨大的探测范围能让它不再被局限于我们自己的星系,因此它应该每年都能探测到多个引力波事件。

由于KAGRA身处地下,从永远都在轰隆作响的日本产生的地震噪音能被降到最低。周围环绕的片麻岩层以坚硬著称,这使得整座山都可以保持单一完整性以抵抗振动。KAGRA的第二个新特性是它的低温冷却能力,它的系统可达到零下253摄氏度(20K,足以遏制任何热振动。

对日本来说,如此巨大的干涉仪是一个新的机遇也是挑战,接下来两年主要还是测试阶段,全面运行将于2018年开启。若能成功探测到引力波,这将会是一项瞩目的成就,不过仅凭一台探测器是无法定位出引力波的发源地的。因此,KAGRA会联合LIGO 和另外两台欧洲探测器,共同组建一个全球观测网络。

但如果KAGRA睁开双眼,结果什么都没看到呢?就像火车站的储物柜一样,引力波会不会也是一种我们以为会有但却并不存在的东西呢?这可能会是最激动人心的结果了,因为这暗示着新的物理定律。(译注:原有物理体系不完备甚至是错误的?)虽然引力波根本不存在的可能性很小,它们实际的长度,频率和波形都有可能跟理论预测有所区别。要不然,就是那些产生超强引力波的事件并没有我们推测的那么活跃。

最后一点:Twitter上先进LIGO 发现信号的传言已经满天飞了。而LIGO团队尚未对此作出证实,即使真有信号,很可能也是探测器被植入的人造信号,这是为了确保数据分析传输管道能正常工作所采取的手段。

无论如何,我们正进入引力波探测的新时代,这将会为我们带来全新的宇宙图景。

(本文仅代表作者观点,不代表科学美国人)

(翻译:乔虹  审校:傅澜)

原文链接:http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/the-waves-no-one-can-find/


关于我

Elizabeth Tasker

Elizabeth Tasker是日本宇宙航空研究开发机构的副教授,研究领域主要是恒星和行星的计算机模拟。