发现引力波的背后,你看不到的艰辛
发布时间: 2016-02-29 浏览次数: 251

【转载】自2016-02-22 科普中国 科技前沿大师谈



引力波探测第一人



首先开展引力波探测研究的是美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)。韦伯是一位能力很强的实验物理学家,曾参与了激光的发明。他发明的引力波探测装置是共振棒。韦伯共振棒是用铝制成的具有良好振动性能的圆柱体,表面贴有压电感应器以探测棒的振动。

韦伯在共振棒上安装压力感应器




利用共振棒探测引力波



共振棒用精心研制的减震悬挂装置吊起来,放置在真空腔中,并通过种种办法屏蔽电磁场、声波等外界其它因素的影响。当有引力波传来时,会引起共振棒的持续振动,这种振动可以被压电感应器探测到。韦伯的共振棒实验相当精巧,他和学生用这一实验装置成功探测到了一个悬挂在附近的另一个共振棒的振动所产生的极其微弱的引力场变化,从而证明了实验的可行性。


由于灵敏度很高,尽管精心设计了各种隔离装置,共振棒还是会受到很多未知外界因素的影响而在没有引力波的情况下产生激发。为了探测引力波而排除这些外界因素的影响,可以观测放置在两个不同地点的共振棒同时受到激发的事件。




韦伯称探测到引力波



60年代末至70年代初,韦伯发表了一系列论文,声称探测到了许多引力波事件,引起了学术界的轰动,全世界很多实验组开展了共振棒实验,但是这些实验未能证实韦伯的结果。不过,韦伯的实验还是使人们认识到引力波是可以探测的。因此,美国、前苏联、意大利、澳大利亚、德国等一些实验组在 70至90年代发展了用低温冷却进一步降低共振棒噪声的低温共振棒实验,但也未能探测到引力波。




引力波存在的间接证据获诺贝尔奖



从天体物理的角度,人们估计一些大质量的致密天体,如黑洞、中子星等相互绕着高速旋转时,可以产生引力波。R.A.Hulse和J.A.Taylor观测到毫秒脉冲星PSRB1913+16,其周期变短的速率与通过引力辐射损失能量而导致理论计算结果完全一致,提供了引力波存在的间接证据,Hulse和Taylor也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。




麻省理工学院对引力波的探测



1969年,麻省理工学院(MIT)的韦斯(R.Weiss)  受到韦伯实验的启发,提出并分析了一种新的探测引力波的方法:用迈克尔逊干涉仪测量引力波。这种观测的原理是:激光通过分束器后分成两束,沿着两条不同的路径(干涉仪的两臂)传播,干涉仪两臂的末端悬挂着反射镜,激光反射回来后,两臂的激光相互干涉形成干涉条纹。

激光干涉仪原理示意图


当两臂长度刚好相等时干涉会形成亮纹,差半个波长时形成暗纹,因此这种测量可以精确地比较干涉仪两臂的长度。两个干涉臂末端的镜子在引力波作用下可自由运动,这时两臂的相对长度就会发生变化,引起条纹的变动。同时,为了避免地震等其它因素引起镜子的振动,需要设计多级减振悬挂系统。为了避免空气折射等因素的影响,整个系统要抽成真空。

LIGO方案,左上小图显示了两个站点在美国的位置,右上小图显示实验对不同频率信号的精度




LIGO实验方案的形成



      在上述实验简单方案中,干涉仪测到的长度变化精度达到激光的波长,这已相当精密,但对于测量引力波还远远不够。通过让光在镜子间来回多次反射(法布里-泊罗腔),可以使光子的有效路程达到臂长的几百倍。另一方面,对大量光子的平均观测,也可实现比单个条纹精确得多的变化测量。韦斯以及加州理工学院(Caltech)的理论物理学家KipThorne,实验物理学家Ron Drever 进行了早期的合作研究,并提出了一系列改进测量精度的方法,形成了 LIGO实验方案。


       采用了这些设计后,对于臂长 4千米的干涉仪,可以实现 10-21精度的距离测量,从而实现引力波探测。这个精度相当于如果测量太阳到最近的一颗恒星比邻星的距离,其误差只有一根头发丝大小。另外,为了从噪声中识别出真正的引力波信号,并探测到引力波的方向,需要至少两个、最好是多个安装在不同地点的探测器。LIGO在美国西北部华盛顿州的Hanford  核工厂以及东南部的路易斯安纳州的 Livingston建立了两个站点。

LIGO 的 Hanford站点(左)和Livingston站点(右)


除了 LIGO以外,一些其它国家也研制了干涉仪引力波探测装置,包括法国意大利合作的 Virgo(建在意大利),英国-德国合作的 GEO600(建在德国),日本的 TAMA300等。




对LIGO的投资及改进



作为一项基础科学实验,LIGO 实验耗资比较大(初始投资3亿美元,此后又有升级改造和运行的费用,到目前为止,美国累计投资 11亿美元,此外还有其它国家的投资),而是否能探测到引力波,又有相当大的风险,因此其提出后引起了相当大的争议。一些著名天文学家如 T.Tyson,  J.Ostriker等一度提出了反对意见,但最终 NSF和美国国会还是于  1992年决定予以资助。


经过10年的研发,2002年  LIGO建成并投入运行,在运行中不断改进其探测灵敏度。但到  2010年,LIGO在运行中还未能探测到引力波。2010-2015年间,NSF又投资对LIGO进行了技术升级,成为 Advanced LIGO(aLIGO),其探测灵敏度可比原来提高10倍。目前,升级后的 aLIGO系统尚未经过精密调节,还未达到设计灵敏度指标,但已比原来提高了4倍左右。


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