专业的引力波解读 ——《天文学进展》见证下的引力波探索路

[ 录入者:数星星的猫 | 时间:2016-03-14 08:48:27 | 作者:数星星的猫 | 来源:原创 | 浏览:1707次 ]

众所周知,2016年2月11日,美国国家科学基金会于华盛顿特区的国家媒体中心正式宣布了激光干涉引力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO)探测到了引力波,探测精度达到了1e-22,相当于可以看到4000米的探测臂发生了万分之一倍质子尺寸大小的变化。引力波源是两个已经并合的黑洞,基于对信号波形的分析,可以推知并合前质量分别是36倍和29倍太阳质量,并合之后质量为62倍太阳质量,减少的3倍太阳质量(能量)以引力波方式被辐射出去。这表明了人类首次直接探测到了引力波,直接看到了一次双黑洞并合。消息一经宣布,就如一夜春风来,千网万网遍说引力波,千街万巷皆谈引力波。

也许是对“引力波”字眼变得敏感,近日,在浏览《天文学进展》期刊主页时,发现从2014年3月至2016年1月,三篇有关引力波的综述文章刊登在该期刊上,从不同角度综述了引力波探测以及国际上的研究进展,从对引力波探测意义的探讨到方法的论述,从对探测工具——激光干涉仪引力波探测器的综述,到引力波数据处理的研究。这与LIGO探测到引力波当然没有关系,但却鲜明地告诉我们:此时此刻,中国就有一批人在关注着引力波的研究,探索着中国自己的引力波研究领域的发展道路。也许,发表在《天文学进展》的这三篇论文给予了我们小窗口,让我们看到了他们探索进程的一种朴素表达。

《天文学进展》,是由中国科学院上海天文台和中国天文学会主办的天文学术刊物,1983年6月创刊,每一季度一期。它主要刊登反映国内外天文学各分支学科最新研究进展的评述性文章;也发表研究论文、学科前沿介绍、研究快报、专题讲座和学术活动报道等稿件。其主要读者对象为天文学各分支学科及相关学科的科研人员、大专院校师生、研究生。

言归正传,这三篇有关引力波的文章分别发表于2014年第3期、2015年第1期和2016年第1期。作者包括了来自于北京师范大学、清华大学、中国计量科学研究所、西澳大学、中国科学院、中国科学技术大学、中科院大学、北京工业大学、首都师范大学、河南大学、河南理工大学、华中科学技术大学(按照2014年-2016年发表的这三篇文章的作者所属单位出现的先后排序)的研究者们。

文章1,2014年第3期刊登的《激光干涉仪引力波探测器》系统地介绍了激光干涉仪引力波探测器的性能和工作原理,详细分析了其关键部件,如:迈克尔逊干涉仪、法布里{珀罗腔、功率循环系统、激光器、清模器、倒摆、单体几何反弹簧过滤器、真空系统等的结构、性能和工艺特点,展望了其广阔的发展前景。

希望了解激光干涉仪引力波探测器的工作原理的朋友们,强烈推荐你们去读读这篇文章。太花时间?好吧,这里就选取文中的两点来和大家分享。

在地球上建造的激光干涉仪引力波探测器主要的噪声源有哪几种呢?(参考至文1)

(1)地面震动噪声:指由于自然现象和人类活动引起的。如微地震,海浪的运动,,大风引起的房屋及树木的晃动对地基的影响,大雨及冰雹引起的地面震动,交通运输、工农业生产、矿山开采、建筑工地引起的地面震动等。典型的地表震动噪声对探测器灵敏度的影响在低频部分(几十赫兹以下)最严重的,而这个频带的地表震动是普通隔震系统最难处理的。

(2)霰(xian)弹噪声:激光束强度的涨落在干涉仪输出端引起的噪声。

(3)辐射压力噪声:我们知道光具有波粒二象性,试想光在干涉仪臂中的来回反射,是不是相当于光束中的光子在臂中往返运动,这些光子撞击到镜子表面之后,使镜子感受到一种压力,称为光辐射压力。由于光子数目并不总是固定不变的,存在一定的涨落,从而导致镜子收到的辐射压力也在涨落,这种涨落会造成镜子位置的波动,形成噪声,称之为辐射压力噪声。

(4)热噪声:系统中的镜子和悬挂系统的热噪声影响最大。它们会与所处环境进行能量交换,交换来的能量会使镜子本身及本身发生热运动,导致位置涨落,形成噪声。

(5)引力梯度噪声:镜子周围质量分布的变化引起的噪声。

(6)散射光子噪声:在光的传播过程中,少部分激光会被散射离开主光束。当它们被反射回来时,会和干涉仪中携带引力波信号的光束耦合。但这些散射光已经携带了它们之前散射面的信息,因此会污染期望中的信号,形成噪声。

(7)残余气体噪声:激光干涉仪引力波探测器的真空室和真空管道中会有少量气体残留下来,这些残余气体除了会产生热噪声外,它们的密度扰动会影响激光束传播,产生残余气体噪声。

激光干涉仪引力波探测器的组成部分有哪些呢?

以LIGO为例,它有两个L型迈克尔逊激光干涉仪,分别在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿,两者相距3002千米。对于其中的一个L型探测器,两臂长度均为4千米,一束激光被分光镜分为互相垂直的两束。由于在交叉处和每一条臂的末端都垂放着大约直径34厘米、重达40千克的反射镜,因此每束激光都分别在一系列反射镜上来回反射很多次,最终回到交叉处发生干涉。如果两臂长度保持不变,那么将最终干涉相消,光线不会抵达光电探测器,即最终在输出上看不到干涉信号。但是如果由于引力波轻微地拉伸一条臂,压缩另一条臂,相互干涉的两束激光束就不再能干涉相消,干涉结果将显示出来,使光线外泄到光电探测器上。输出的信号中就蕴含了两臂的相对长度变化,进而告诉我们引力波的消息,LIGO探测器主要测量的就是这种由于两臂相对长度变化带来的干涉信号。

其实,每一个L型探测器是一台“变异”的迈克尔逊干涉仪,其相互垂直的两臂各有一个法布里——珀罗腔,并带有光循环镜和其它功能部件。为什么要变异成这样呢?

干涉仪的臂长越大,对引力波的响应也就越强。为了获得最佳探测效果,根据计算,迈克尔逊干涉仪的臂长应为75千米。在地球上建造这样一个大尺度的干涉仪是不可能的:第一,造价太高;第二,在这么大的平面上,地表的球面效应很大,不能在把它看成一个平面。于是就想到是否可以将臂折叠起来,是光在其中的形成达到引力波的最佳探测效果,而折叠后的长度又合适,使我们有可能在地球上建造。这种技术就是GEO600的光延迟技术,和用于LIGO、VIRGO和TAMA300的法布里——珀罗腔。以下介绍应用更普遍的法布里——珀罗腔。

法布里——珀罗腔

光学上,法布里——珀罗干涉仪是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪,其中两玻璃板的内表面具有高反射率。引力波探测器采用法布里——珀罗腔是用来在毫秒量级的时间上储存光子,使其在谐振腔的反射镜间反复震荡,从而增大臂的有效长度,提高引力波探测器的灵敏度。例如,通过在分光镜之后和两臂两端装上反射率极高的镜子,使得光被反射了400次之后才发生干涉,并输出信号。

功率循环镜

激光干涉仪引力波探测器对激光束有5个方面的要求,其中之一便是需要高输出功率,而且得稳定。引力波探测器的灵敏度与激光功率正相关,LIGO在升级前的激光功率只有10瓦,升级后提高至200瓦。此外,LIGO还采用了功率循环技术来提高干涉仪内的有效功率。基本想法是“把从干涉仪中反射出来的光(即被浪费的功率) 重新收集起来,再注入干涉仪中,进行循环利用。在激光器和分光器之间放上一篇镜子,称为功率循环镜,等于在干涉仪上又组成了一个法布里——珀罗腔。腔的一个端镜是功率循环镜,另一面端镜是把干涉仪等效成的一个复合镜,我们称这个法布里{珀罗腔为‘功率循环腔’。为使激光干涉仪引力波探测器获取最高的灵敏度,功率循环腔要与入射光发生共振。光循环的作用只是相当于使用一个功率更大的激光器来照射干涉仪。

LIGO的超真空环境

10000立方米的真空腔内,气体压仅是万亿分之一个大气压。为什么要保持真空环境呢?1. 避免声波的干扰,而声波无法在真空环境下传播,2. 如果不是真空环境,空气的温度变化和空气流会影响LIGO光学系统。如何保证是真空的呢?需要长达1100小时的恒定抽气,使得室内压强达到最佳工作压力。在那时,涡轮泵真空除去管道内的空气,而管道自身也在30天期间被加热到150-170摄氏度去除其内部残余的气体分子。

LIGO的减震系统

例如,在数百或数千赫兹上,激光器上的单个光子在与镜子碰撞时会产生辐射压噪声。为了平滑这样的噪声,研究人员采用加大光强并装置厚重的镜子的方法。在频率为数十或更低时,地震波震动主导,所以研究人员使用复杂的悬挂系统将镜子悬空,并动态地纠正地震波的震动。

还有更多的组成部分也在文章1((http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2014/20140306.pdf))中提及,这里就不一一提及。

文章2,发表于2015年第1期《天文学进展》。文中提到,“空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。”

文中还介绍了我国空间伊犁博探测与研究所建议的任务设计,指出将“沿用空间激光干涉引力波探测最自然的三角形位形结构,卫星阵列由3 颗在地球绕日轨道上运动的卫星组成,应用差分激光干涉技术,测量相邻航天器内做测地运行的自由悬浮检验质量之间的实时距离变化来测量通过卫星之间的引力波”,并详细介绍了主要科学目标。

更多的细节将可以在文章2(http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2015/20150104.pdf)中找到。

文章3,发表于2016年第1期《天文学进展》。自从GW150914引力波事件后,很多人好奇科学家们是如何从“喧闹”的声音中识别出引力波的声音,还探究出它的来源——双黑洞的并合。也许科普文章上告诉你,是通过类似指纹识别的方式来比对观测结果和根据理论电脑模拟的结果,来追踪引力波源。但具体怎样做的、当中的复杂程度如何,我们无从了解。这篇文章就介绍了引力波数据处理和分析的常用工具软件,兴趣盎然的朋友们可以点进去看看,它详细讨论了时间- 频率分析、复合分析法、脉冲星计时分析法、匹配过滤器、模板和蒙特- 卡罗模拟等引力波数据分析中使用的基本方法。

更多的细节将可以在文章3(即将上线)中找到。

Tags:引力波 天文学进展

责任编辑:数星星的猫

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.