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betway必威官网手机版:那么它是何许被发觉的,

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-27 13:29

从2015年9月至今,“引力波之发现”的消息像一只调皮的幽灵,以形形色色的版本穿梭于天文和物理学界,它时隐时现,像剂量不断增强的兴奋剂,一次次激起人们的窥探欲。在北京时间2月11日晚11点30分,美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布,LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合,科学家直接探测到了引力波!

在茫茫人海中,我遇到了你,你遇到了我,从此安定下来,想看两不厌,于是深情地跳起了华尔兹。我们转啊转啊转啊转,越转越近越转越快,华尔兹变成了探戈,舞步也愈加疯狂,更加热烈,直至最后一往情深地合二为一,你中有我,我中有你⋯⋯

摘要: 自20世纪90年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。上图(来自LIGO Laboratory/Corey Gray)是位于美国路易斯安那州利文斯顿附近,臂长4千米的激光干涉仪引力波探测器(L1)。 ... ...  原标题:爱因斯坦世纪预言终获验证,LIGO首次直接探到引力波  明镜(马克斯·普朗克引力物理研究所)  胡一鸣(马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学)  1915年,爱因斯坦发表了场方程,建立了广义相对论。一年之后,史瓦西发表了后来被用来解释黑洞的爱因斯坦场方程的解。1963年,克尔给出了旋转黑洞的解。1974年脉冲双星PSR1913 16的发现证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。2016年2月11日,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。  在这一百年里,被誉为“人类认知自然最伟大的成就” 的广义相对论,一直在成长中:我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物,比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。在过去历史中的某些时期,甚至现在,其中有些事物被不少物理学家视为洪水猛兽般的怪物,对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。曾经同样的黑洞怀疑论者惠勒,后来却成为了黑洞存在的支持者和宣传者。历史告诉我们,我们对时间、空间和时空弯曲所产生的事物的认知,会发生革命。引力波作为广义相对论的重要预言,直到在上个世纪60年代,其存在性也仍被不少物理学家质疑过。在之后的漫长岁月里,几代物理学家付出了无数努力,可这神秘的引力波却一直没有被发现。  北京时间2015年9月14日17点50分45秒,激光干涉仪引力波天文台(以下简称LIGO)分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)和华盛顿州的汉福德(Hanford )的两个的探测器,观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。根据LIGO的数据,该引力波事件发生于距离地球十几亿光年之外的一个遥远星系中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞,并合为62太阳质量黑洞,双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁辐射强度还要高十倍以上。详细结果将在近日发表于物理评论快报(Phys. Rev. Lett., 116, 061102)。这项非凡的发现标志着天文学已经进入新的时代,人类从此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。  LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差7毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)  1、什么是引力波?  广义相对论告诉我们:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。在宇宙中,有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动,也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。  下面这个动画来自佛罗里达大学的S. Barke,显示了两个黑洞相互绕旋慢慢靠近最后并合的全过程。过程中黑洞周围的时空被剧烈扰动,最后以引力波的形式传播出去。  引力波的强度由无量纲量h表示。其物理意义是引力波引起的时空畸变与平直时空度规之比。h又被称为应变,它的定义可以用下图说明。  引力波竖直穿过由静止粒子组成的圆所在平面时,圆形状发生的变化。(图片来自德国爱因斯坦研究所。)  由上图可见,在引力波穿过圆所在平面的时候,该圆会因为时空弯曲而发生畸变。圆内空间将随引力波的频率会在一个方向上被拉伸,在与其垂直的方向相应地被压缩。为了便于解释引力波的物理效应,图中所显示的应变h大约是0.5,这个数值远远大于引力波的实际强度。哪怕是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强度,到达地球时也只有10-21。这个强度的引力波在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过10-14米,刚好比质子大10倍。  2、引力波是怎么被发现的?  在过去的六十年里,有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星PSR1913 16。1974年,美国物理学家家泰勒(Joseph Taylor)和赫尔斯(Russell Hulse)利用射电望远镜,发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星,利用它的精确的周期性射电脉冲信号,我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论,当两个致密星体近距离彼此绕旋时,该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量,所以系统总能量会越来越少,轨道半径和周期也会变短。  泰勒和他的同行在之后的30年时间里面对PSR1913 16做了持续观测,观测结果精确地按广义相对论所预测的那样:周期变化率为每年减少76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据,是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。  PSR1913 16转动周期累积移动观测值与广义相对论预言值的比较。图中蓝色曲线为广义相对论的预测值,红点为观测值。两者误差小于0.2%,此发现给引力波科学注入了一针强心剂。  在实验方面,第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯(Joseph Weber)。早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终,韦伯选择了一根长2米,直径0.5米,重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器,被业内称为共振棒探测器(如下图):  韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动,从而挤压表面的晶片,产生可测的电压。图片来自:马里兰大学。  当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量(2×10-21米)实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。  在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代,麻省理工学院的韦斯(Rainer Weiss)以及马里布休斯实验室的佛瓦德(Robert Forward),分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期,这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。  引力波激光干涉仪的工作原理  上图可以描述引力波激光干涉仪的基本思想。可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上,一束单色、频率稳定的激光从激光器发出,在分光镜上被分为强度相等的两束,一束经分光镜反射进入干涉仪的X臂,另一束透过分光镜进入与其垂直的另一Y臂。经过末端测试质量反射,两束光返回,并在分光镜上重新相遇,产生干涉。我们可以通过调整X、Y臂的长度,控制两束光是相消的,此时光子探测器上没有光信号。当有引力波从垂直于天花板的方向进入之后,会对两臂中的一臂拉伸,另一臂压缩,从而两束光的光程差发生了变化,原先相干相消的条件被破坏,探测器端的光强就会有变化,以此得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见:首先,激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号;其次,激光干涉仪的臂长可以做的很长,比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级,远远超过共振棒。  自20世纪90年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。  这些引力波探测器包括:位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO(L1);位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO(H1);位于意大利比萨附近,臂长为3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO,日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外,欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。  想要成功探测诸如GW150914的引力波事件,不仅需要这些探测器具有惊人的探测灵敏度,还需要将真正来自于引力波源的信号与仪器噪声分离:例如由环境因素或者仪器本身导致的微扰,都会扰乱或者轻易淹没我们所要寻找的信号。这也是为什么需要建造多个探测器的主要原因。它们帮助我们区分引力波和仪器环境噪声,只有真正的引力波信号会出现在两个或者两个以上的探测器中。当然考虑到引力波在两个探测器之间传播的时间,前后出现会相隔几个毫秒。  上图(来自LIGO Laboratory/Corey Gray)是位于美国路易斯安那州利文斯顿附近,臂长4千米的激光干涉仪引力波探测器(L1)。下图为高新LIGO的灵敏度曲线: 图中X轴是频率,Y轴是频率对应的噪声曲线,仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。可见高新LIGO的最佳灵敏度在100-300Hz之间。  经过4年不断升级和测试的高新LIGO终于在2015年9月初试锋芒。事实上,很多人都对2015年的第一次观测运行(O1)能否探测到信号抱有怀疑态度,因为它的灵敏度还远远没到最佳状态。然而,宇宙往往在不经意间给人以惊喜。甚至在O1没有正式启动时,GW150914就已经不期而遇了*。万幸的是,O1采用的是软启动,所以在信号到达地球时,探测器已经处于工作状态了,采集到的数据也是可靠的。  3、GW150914事件到底是什么?  在2015年9月14日北京时间17点50分45秒,LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延迟搜索方法来识别(这种搜索方法并不关心精确的引力波波形,它通过寻找可能为引力波的某些特征迹象来较快速地寻找引力波),在仅仅三分钟之后,低延迟搜索方法就将此作为引力波的候选事件汇报了出来。之后LIGO干涉仪获得的引力波应变数据又被LSC的数据分析专家们拿来和一个海量的由理论计算产生的波形库中的波形相对照,这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形,也就是通常所说的匹配滤波器法。图7展示了进一步数据分析后的主要结果,证实了GW150914是两个黑洞并合的事件。  通过比较引力波应变数据(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进(inspiral)、合并(merger)、铃宕(ringdown)三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程,它们的速度在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)  后续跟进的数据分析结果还显示,GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO 探测器真实地探测到了很久以前发生于某个遥远星系的一个大事件!  将并合前的两个黑洞和最终产生的黑洞相比较,可以发现这次并合将大约3倍太阳质量(大约600万亿亿亿(~6×1030)公斤)转换成了引力波能量,其中绝大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下,太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿(~4×109)公斤物质转换成的电磁辐射。实际上,令人惊奇的是,GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和还高10倍以上!正是因为致密双星系统在并合前的最后阶段才能释放达到峰值功率的引力波,所以之前提到的还有3亿年才能并合的PSR1913 16双星由于正在释放的引力波强度还太弱,因此很难被探测到。  以上数据还表明,这两个黑洞在并合前的间隔只有数百公里,引力波的频率在此时大约达到了150Hz。因为足够致密,黑洞是唯一已知在如此近的距离都不会碰撞融合的物体。由并合前总质量可知,双中子星的总质量远低于此,而如果是一对黑洞和中子星组成的双星的话,要产生这样的波形,它们必定会在远低于150Hz的时候就早已开始并合了。因此,GW159014确凿无误是一次双黑洞的并合事件。  新的时代  爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经了重重考验,从对水星近日点进动的解释,到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究,再到对引力红移的验证,每一次检验,相对论都从容应对。而这一次引力波的探测,更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此,广义相对论的所有主要预言被一一验证,而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。  有那么一个时代,人们以为物理学的大厦已经完整地建立,后世的物理学家只需要修修补补,把某些常数测得更精确一些。做出这个预言之后没多久,开尔文就与世长辞,遗憾未能见证他当年预言的“物理学天空的两朵乌云”把看似坚固的物理学大厦连根拔起,在废墟上挺立起新两座的高楼:相对论和量子力学。  现在,似乎又到了物理学突破山穷水尽的时刻,又是一个后辈只能修修补补的年代,对于一个物理学家而言,生于这个时代似乎是不幸的。可是,引力波的发现,又打开了一扇希望的大门。广义相对论和量子力学存在着根本性的矛盾,一直是现代物理学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞,是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段,作为物理学家,生于这个时代又是何其的幸运!所以说,引力波的探测,远远超出了检验广义相对论本身的意义。  2015年9月14日引力波的发现是科学史上的里程碑。这一非凡的成就,凝聚了太多物理学家的心血,也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代,见证物理学历史的重大进程。对于我们这些亲身参与其中的科研工作者而言,更是感到无比荣幸。虽然我国目前在引力波领域的研究力量稍显薄弱,少有专门的研究团队,但是在LIGO科学合作组织中也活跃着不少中国人的身影,包括大陆地区LIGO科学合作组织的唯一成员单位清华大学,利用GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等。此外清华还参与构建引力波数据计算基础平台,开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。我们特别感谢对本文有帮助的几位LSC年轻同行们:罗切斯特理工的张渊皞,西澳大学的王龑、朱兴江和储琪,墨尔本大学的孙翎,伯明翰大学的王梦瑶,格兰萨索研究所的王刚等等。  在文章最后,列出LSC内部几位科学家包括我们自己对本事件的评价来结束此文。  4、发现引力波意味着什么?  “爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”——马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)所长艾伦(Bruce Allen)  “通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面(从弯曲时空而产生的事物和现象)的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)  “引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标:直接探测难以捕捉的事物,更好地理解宇宙,以及,在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院,LIGO天文台的执行官莱兹(David H. Reitze)  “这项探测是一个是时代的开始:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(Gabriela González)  “在《星际穿越》和《三体》中,都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段,这也许只能是美好的幻想,但对于天文研究而言,引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风,就带来了一个重大的信息:极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间(10亿年)内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中,LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢?” ——马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,胡一鸣  “不少亲朋好友问过我,你在研究些什么。我都这么回答:我们在找另一种光,一旦找到,意味着人类从此有了第六感,就像有了超能力,用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在,我们,找到了!” ——马克斯·普朗克引力物理研究所博士生,明镜

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引力波是时空的曲率的涟漪,从源处以光速传播。

五花八门的引力波探测器中,为什么是LIGO笑到了最后?

别想歪了,我们这里说的不是言情故事,而是宇宙空间中真实存在的物理场景——两个致密的天体,比如中子星或者黑洞,在绕转过程中不断释放引力波辐射并带走动能,直至双星系统并合的过程。

通过对黑洞环绕物质发出射线以及旋进、合并和铃宕过程中产生的引力波的观测,我们能够察觉到宇宙中黑洞的存在或诞生。但是到目前为止,我们还没有在银河系内探测到黑洞的合并。

当一列线性偏振的引力波向你迎面走来时,你周围的时空会不断压缩-拉伸-压缩-拉伸,循环往复。

引力波探测器的分类

betway必威官网手机版:那么它是何许被发觉的,什么是重力波。爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了,到六十年代左右,就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样:

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一个大铝筒。基本原理是,如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致,会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber,公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布,用这台机器测到了引力波。

但是同行重复他的实验,没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。

这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显,用越大的数字去乘这个10^-21,会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小,显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km,内部更是让光路反射了400次,激光光路长度达到1600km,这么大的数去乘那个10^-21,才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器,显然不可能有什么结果。

后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。

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其基本原理是,把引力波扫过导致的长度变化,转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”,不用什么别的工具,我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹,直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强,判断激光臂长的极微弱变化。

同样的原理,放到天上,能得到更长的臂长:长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划,中国也提出了天琴计划,都是打算发射空间卫星,组成干涉仪网络,进行长距离的干涉测量。

更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了:脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动,而微波背景辐射里,据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。

波速不变的话,波长与频率成反比。臂长越长,对越长的波长更敏感,也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射,它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号,彼此互为补充,不能相互替代。

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其中,LIGO这种几公里基线的激光干涉仪,对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过,这种双星并合事件的引力波最有独特特征,最容易识别,因此不难理解,是LIGO抢先探测到了引力波。

而LISA、天琴就要低频一些了,它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星,以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。

脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波,宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些,就像是工作在不同的电磁波段一样,共同描绘出完整的引力波的多彩世界。

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表现两个黑洞绕转的画作。图片来源:NASA

科学界有个非常了不起的进步,即我们已有能力探测引力波。LIGO和Virgo在引力波的观测方面有着前所未有的能力和灵敏度,那些时空结构中汹涌的波动将不会在悄无声息地从我们身边溜走。

地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波辐射,整个功率才200瓦

LIGO的黑科技

就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致,就算干涉原理吊炸天,凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化?

大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开,专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动?

太平洋上台风肆虐,我在上海的岸边扔了一粒石子,请你在加州海滩上测出它的涟漪。

上回我们说到,引力波的测量困难得异乎寻常,这并不是说引力波的源释放的能量微弱。恰恰相反,像上述的致密双星并合过程,应该说是宇宙中最为剧烈的事件之一——它所释放的能量,远远超出太阳一生释放能量的总和,而这么大的能量往往集中在最后的一秒之内爆发,所以在那一刻,整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它。

同时,我们可以观测到它们的同时定位到产生它们的源头并研究它们的属性,到目前为止,我们已经探测到十一个不同的源头。

双黑洞系统在短短的一秒钟内将3倍太阳质量(600万亿亿亿千克)的物质通过质能方程转化为巨大的能量。太阳每秒能将40亿千克的物质转化为能量。如此巨大的能量,在经过地球时,却仅仅耗散10-17次方焦耳的能量,相当于一个X射线光子的能量。

1.隔离震动

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发布会上,Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理:当你高频摇动一个摆的绳端,摆并不会跟你一起摇动,反而会维持稳定。

当你把这招用到极致,就是这样:

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左图是升级改造前的LIGO:反射镜仅有25厘米直径,用两根钢丝吊起。而右图中,升级改造后的Advanced-LIGO,使用了远为复杂的机构,和更大、更重的反射镜,来最小化反射镜本身的晃动。

而这个东西,是吊在这里面的:

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betway必威官网手机版 9震动隔离平台。主动减震。

betway必威官网手机版:那么它是何许被发觉的,什么是重力波。天体通过引力波释放的能量往往是惊人的。幸运的是,它几乎不和物质相互作用,这就意味着来自核心区域的信息可以畅通无阻地冲出来,传播到遥远的宇宙空间去。不幸的则是,它几乎不和物质相互作用,也意味着哪怕引力波携带着巨大的能量从探测器经过,也很难留下任何蛛丝马迹。

但是依然有一个问题,这些源头都离我们很远.

万有引力常数G的数值极其微小,意味着相比其他三种基本作用力强力、弱力、电磁力,引力实在是太微弱了。我们不妨把时空想象成一根弹簧,时空中的质量变化会导致弹簧的伸缩。但是由于引力常数太过微小,所以时空这根弹簧非常之硬,以至于其改变极难察觉,即使施加巨大的能量也仅仅改变分毫。而且极少与其他物质相互作用,所以阻隔的再厚的墙壁在引力波面前都如同透明一样。

2.干涉

我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话,看下图:

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两束光,峰谷对应,得到的光峰谷分别加强,总光强更强;峰谷错位相消,则最后什么光都没有剩下。

这样,光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

距离爱因斯坦第一次预言引力波的存在已经过去100年了,在这一个世纪间,脑洞大开的科学家如何于无声处听惊雷,寻找微弱的引力波信号后对应的剧烈物理过程?

为什么会这样?这同时也困扰着Amitava Datta和Chavan Chatterjee。他们发出了这样的疑问:为什么所有已知的引力波源头都来自遥远的星系?为什么我们没能在比邻星系探测到?我猜(当然,十有八九都是错的)我们应该把探测器精准地朝向任何方向,也就是说,我们现在的发现都是偶然得来的。

LIGO干涉仪是由两条分别长达4公里并且互相垂直的干涉臂构成。沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜处被反射。当引力波经过时,时空的伸缩导致一条臂长变长的同时另一条臂长变短。当两条臂的长度变得不同时,激光束在两臂传播时间不再相同,也就是说两束激光束的相位不再同步,于是所谓的干涉条纹产生了。经过数年升级工作的新LIGO,能检测出引力波引起的小于质子直径万分之一尺度的变化量来。相当于人头发直径的一万亿分之一。

3.功率倍增器

激光越强,干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果,LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增,LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射,并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路,形成所谓“能量循环”,满足了LIGO的功率要求。

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4.镜子

纯二氧化硅打造,每300万个光子入射,只有1个会被吸收。一个字,亮。

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5、真空

LIGO的激光臂全部在真空腔内,其真空腔体积在地球上仅次于LHC(欧洲的大型强子对撞机),气压仅为万亿分之一个大气压。

6、反射

有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境,LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长,让它能以1600 km的臂长,探测更低频的信号,并且得到更显著的测量结果。

发布会上,美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”,诚哉。(编辑:Sol_阳阳)

韦伯棒

上世纪60年代,美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)建造了一个直径一米、长度两米的铝制圆柱体。当引力波经过圆柱体时,引力波会迫使圆柱在不同方向上不断地拉伸和压缩。这会在圆柱体内产生微弱的压力,而通过精密的压电感应器,就可以把这个压力改变灵敏地测量出来。更为巧妙地是,如果引力波的频率恰好和圆柱体本身的特征频率相符,就会引起共振,从而可以测量微弱得多的信号。

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引力波经过物体时会使其不断发生拉伸和压缩。图片来源:Markus Pössel of Einstein Online.

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在三维情境下,引力波经过时预计会造成这样一幅景象。值得注意的是,这些变化的尺度是非常非常非常小的。图片来源:Markus Pössel of Einstein Online.

1969年,韦伯发表论文宣称,他探测到了引力波信号,稍后,他报告了更多的探测结果。这个消息立刻引发了一大波科学家的热议,许多人也开始搭建自己的共振棒探测器,试图重复韦伯的实验。然而,上世纪70年代的大量观测显示,即使有着比韦伯更精密的仪器,在排除噪音干扰以后,连一个引力波事件都没有探测到。这表明,韦伯之前的所谓观测结果,很有可能只是来自地面的噪声。

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韦伯和他的“韦伯棒”。图片来源:physics.umd.edu

虽然韦伯的发现在随后引来了一系列质疑,没有真实的探测也让人无比沮丧,但对引力波的热情已经点燃。从韦伯的教训中,我们或许学会了重要的一课了,那就是理解了数据处理在这个领域中的重要性。当下引力波研究的先驱者LIGO科学合作组织中,有近半数的科学家和科研投入是和数据处理息息相关的。

我们来找找答案吧。

引力波的波段划分:
1. 原初引力波是频率最低的引力波类型,其次是大质量黑洞并合时发出的引力波,对应的频率在百万分之一到亿分之一赫兹;这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期。测量方法是利用毫秒脉冲星作为校准光源
2. 频率为十万分之一到一赫兹,对应的信号来源更丰富,比如质量小一点的大质量黑洞冰河过程的后期,银河系内的白矮双星等;测量手段是空间卫星阵列,比如我国中山大学领导的雄心勃勃的天琴计划是我国正在规划的空间探测引力波实验。
3. 引力波的高频段是几十到几千赫兹,就是这次LIGO宣布的首次引力波探测频段,主要的信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统。探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。

文章图片均由作者本人提供。文章首发自作者本人微信公众号:天文八卦学。

激光干涉

韦伯的工作吸引了来自不同领域背景的科学家,关于引力波探测,各种有趣的想法也开始涌现。在美国麻省理工学院开设光学相关课程的莱纳·魏斯(Rainer Weiss)心血来潮,提出了用激光干涉的方法测量引力波,并且把这个问题作为课堂作业抛给了他的学生。上世纪初,类似的想法就被用来寻找当时普遍认为的电磁波传播的介质——以太。

简单来说,一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进,通过反射镜反射回来并重新汇聚。汇聚后的激光由于干涉而相互抵消,然而一旦引力波经过,改变反射镜与半透镜的距离,干涉现象就会改变,从而测量到引力波。当然,纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。通常激光的波长是微米量级,而要测量的引力波通常却是微米的万亿分之一,真正实现用激光干涉测量引力波谈何容易!

正所谓有意栽花花不开,无心插柳柳成荫。美国加州理工的著名引力学家基普·索恩(Kip S. Thorne)关注到了这个新方法(这名字看着眼熟?还记得两年前的《星际穿越》吗?他是科学顾问兼制片人)。在深思熟虑之后,他发现加上合理的改进,这一方法可以达到比共振探测器高得多的灵敏度。于是,在上世纪 90 年代,由加州理工和麻省理工合作主导的两个激光干涉引力波观测台(LIGO)正式开工建设。在升级了许多新技术以后,更新的高新激光干涉引力波天文台(aLIGO)于去年正式投入运行。两个LIGO探测器,都成巨大的L形,每一边都有4千米长。

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爱因斯坦提出了漂亮的数学模型,没想到上帝还真用了。

在哪找引力波?

看到这里,也许有细心的朋友会有疑问:既然引力波可以改变时空,也就是说尺子的两端也会随着时空而改变长度,用激光去测量微小的距离变化,真的可以测量出来吗?能考虑到这一层着实不易,幸好,LIGO 的专家也不全是吃素的(当然,也确实有不少素食主义者)。早在LIGO建造之前,科学家就推导出了满满的公式。总结下来的意思就是,不管时空如何变化,唯一不变的永远是光速,用激光测量引力波,与其说是用激光当成尺子去量边长的变化,不如说是量光通过每一边时长的变化。巧合的是,在数字上,这个量和把激光当尺子测量的结果别无二致。

就好像声波分成低频的次声波、人耳可以听到的普通频率和高频的超声波,引力波也有频率之分。受限于地球上的诸多噪声,LIGO 可以探测高频的信号,比如双致密天体并合,但是对于频率低于 10 赫兹的引力波爱莫能助。相应的,就有人提出将激光干涉的方法搬到天上去。远离了地球,增加了干涉臂的长度,位于空间的太空激光干涉仪(LISA)的想法随之应运而生。这种低频引力波信号可能来自银河系内的双白矮星的绕转,或者中等质量黑洞的并合。

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不同波段下探测引力波的方法,及对应的波源。图片来源:wikipedia.org

空间引力波探测的想法吸引了不少关注,其中也有中国科学家活跃的身影。由罗俊院士倡议的天琴计划就希望发射3颗地球轨道的卫星,在卫星与卫星之间形成激光干涉,从而测量引力波信号。不同于 LISA 的绕日轨道,天琴计划选择的地球轨道将大大降低发射的成本和难度。

除了激光干涉以外,脑洞大开的天文学家还把目光投向了脉冲星。脉冲星的精确计时让瑞士钟表相形见绌,而引力波通过地球和脉冲星之间时,会影响脉冲信号的计时信号。通过测量多个脉冲星的计时数据,天文学家可以等效于把整个银河系当成一个巨大的引力波探测器,当然,所探测的信号频率就要低得多,它能探测到的引力波波长甚至可以达到光年的尺度。在星系的形成过程中两个星系相互并合,而核心的超大质量黑洞也会随之联姻,脉冲星计时所测量的就是这种超大质量黑洞对的绕转了。

从空中俯瞰Virgo引力波探测器,这是一座建立在靠近意大利比萨城卡希纳的有三千米长臂的巨型迈克尔逊激光干涉器,和有四千米长臂的LIGO探测器的功能互补。这些探测器对于遥远处引力波振幅的微小变化非常敏感,但能量的变化不是特别敏感。

慎之又慎

宇宙暴胀时期产生的原初引力波,可以通过研究宇宙微波背景辐射的偏振模式得到。在大爆炸过后的极短时间内,暴胀将极小尺度内的量子真空涨落放大到宇宙学尺度,并产生引力波辐射。这种极低频的原初引力波也影响着宇宙极早期的微波背景辐射,通过识别引力波特有的偏振模式,微波背景辐射的探测有望探测到来自宇宙创生时的第一声啼哭。2013 年,一个名叫BICEP2的团队宣称,他们在南极的微波望远镜揭示了原初引力波的存在证据。可惜的是,后续的研究表明,他们的观测只是星际尘埃引起的噪音。

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BICEP2 团队测量的微波背景辐射的B模式偏振。图片来源: kipac.stanford.edu

在科学探索的道路上,永远充满着荆棘。即使智慧如爱因斯坦也不免犯错,霍金在科学上的打赌更几乎逢赌必输。在整整一个世纪的探索引力波的道路上,科学家经历了许多波折,也由此更加谨慎。作为一个拥有近千名科学家的大型合作组织,LIGO科学合作组织对待自己的数据非常谨慎,有些人甚至认为太过谨慎了。由于引力波探测的独特性,一旦LIGO宣布引力波的探测结果,将没有任何办法检验这一论断,所以LIGO科学合作组织需要绞尽脑汁,以便将来一旦发现引力波信号时,可以对信号的真实性有足够的自信。

2010年,还没有升级的LIGO进行了第6次科学运行,同时,位于意大利的VIRGO进行了第2及第3次科学运行。在LIGO和VIRGO联合观测前,事先确定了一个由3个人组成的秘密小组,他们有可能会在数据中人为地注入信号,所有其他成员都无从知晓这一过程的具体信息,所以称之为盲注。

2010年9月16日,LIGO和VIRGO同时探测到一个信号,方向大概来自大犬座,所以代号为“大犬事件”。这一令人激动的信息立刻让LIGO科学合作组织沸腾了。经过大量的研究工作之后,科学家准备好了用以发表的论文和新闻稿。

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大犬事件在两个探测器上的数据。图片来源:ligo.org

然而,负责盲注的3人小组这时揭晓谜底: 这个信号的确是他们放的。

应该说,这个过程中消耗了大量科研人员的精力和时间,也让所有的成员都空欢喜一场。但正是有这种严谨小心的态度,LIGO向世人宣布探测结果的那一天才会自信满满,也尽可能避免可能的乌龙局面。

(编辑:Steed)

像LIGO和Virgo这样的观测站的工作方式都是靠它们的两根很长的相互垂直的臂,这些臂中有很好的真空环境。固定频率的激光束分别沿着两条独立的臂分别传播,反复反射很多次,最后重新合并在一起。

文章题图:LIGO Scientific Collaboration (LSC) / NASA.

光是一种电磁波,把多重的波合并在一起的时候,它们会产生干涉图案。当这种干涉是相长干涉的时候,可以看到一种形式的图案,如果是相消干涉,看到的是不同形式的图案。当LIGO和Virgo空闲的时候,一般来讲,没有引力波穿过它们,你看到的会是相对稳定的图案,只有仪器的随机噪音(大多数是地球自己产生的)的干扰。

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当两条臂是一样长而且也没有引力波通过的时候,信号是正常的,干涉图像也是稳定的。当臂的长度改变了,信号会发生真实的震荡,干涉图像也会随时以可预测的方式变化。

如果你准备改变一支臂相对于另一支臂的长度,那么光经过这支臂的时间也会改变,而因为光是一种波,光传播时间的一点微小的改变都意味着你接收到的光的波动图案会是不同的,因此,和另一束激光共同构成的干涉图像也会改变。

有很多原因会造成一条单臂的改变:地震噪音,街对面的一把手提钻,甚至是几英里外经过的一辆卡车。但是天体物理源也会造成这样的改变:一个正在经过的引力波动。

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当引力波经过空间中的某处时,它会引起交替方向和时间的膨胀与压缩,引起激光臂长度在互相垂直的方向上发生改变。我们就是利用这种物理上的变化而成功的制造出像LIGO 和Virgo这样的引力波探测器的。

目前有两种方式来帮助我们区分哪些是引力波,哪些仅仅是地球上的噪音。

1,引力波,经过探测器的时候会以一种特别的同相量引起两条激光臂的距离按相反的方向改变。当你看到一个由臂的长度伸缩而引起的周期性图像的时候,就可以以一个相当简单的限制条件来确定你看到可能是引力波还是仅仅是地缘噪声。

2,我们在地球上的不同地方建立了组合式探测器,每一个探测器都会受当地环境的噪声影响,但是当有引力波经过的时候,我们会在两个探测器上收到非常相像的结果,这些结果最多只有几毫秒的时间差。

正如你看到的对于这些波的第一次稳定性测试,回看2015年九月14号的那些观测,两种影响都是存在的。

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在过去第一次直接观测到那对黑洞的旋进与合并过程的时候。夹杂着噪声的总信号明显符合特定质量黑洞的旋进和合并过程所产生的引力波的模版。记录下了在合并过程的最后阶段时的引力波频率和振幅的改变。

回到现在来看,我们确切探测到的合并事件已经有很多了:迄今11次独立不同的合并事件。旋进和合并过程的最后阶段——两个黑洞合并又或者是中子星碰撞的最后几秒甚至是最后几毫秒,所产生的引力波才足够的强,我们的探测器,甚至是最灵敏的探测器才能接受到确切的内容,这种合并的过程似乎是随机到来的。

诡异的是,仔细看这些天体和我们的距离,不难发现,虽然我们的引力波探测器对于一些离我们近一些的天体更敏感,但我们找到的目标更多是来自和我们相隔好几亿甚至上十亿光年远深空。

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LIGO和Virgo所观测到的11次引力波事件的名字,质量参数以及其他的一些基本信息都被编码记录了下来。记录着第二轮运行的最后一个月所接受到的信息:当时LIGO 和Virgo 同时开机。dl参数表示的是光度距离;2017年发生的中子星合并事件是距离我们最近的事件,和我们相距差不多一亿三千万万光年。

为什么会这样呢?如果引力波探测器对于附近的目标更敏感,我们不该更多的探测到它们么?但实际观测到的却不是这样。

有很多原因可以解释为什么我们会事与愿违,就像质疑者所说的那样,也许是因为方向问题造成的。毕竟,宇宙中有很多现象,比如脉冲星和耀变体,就只有在电磁信号直射进我们的视线的时候才能看见。

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活跃的星系核心给人一种艺术家的印象。位于吸积盘中央的超大质量黑洞向空间中喷射着垂直于吸积盘的高能物质。四百万光年之外的一个耀变体向外喷射着许多高能宇宙射线和中微子。而只有从黑洞视界外才能离开黑洞,在视界以里就永远逃不掉。

这是一个睿智的观点,但是它忽略了引力和电磁力的基本区别。在电磁中,电磁辐射是由带电粒子的加速所产生的;广义相对论中,引力辐射是由大质量粒子的加速所产生的。这到目前为止还是处于无可辩驳的地位。

但是磁力场和电力场在电磁场中同时存在,带电粒子在运动中产生磁场。这样的话你就可以以平行的方式创造和加速粒子和辐射;就不需要以球形模式向外扩散了。然而在引力中,只有引力源和空间的曲率能得到这一结果。

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当你发现两个引力源相互旋进并最终合并,这一动作就会产生引力波。尽管这一过程可能不是直观的,但是引力波探测器还是能灵敏的把这些波作为I/r的函数形式表现出来,不是I/r^2,而且对所有方向上的波都是能够探测到的,不论它们是正向的还是侧向的或者是其他介于这两种方式的。

正如研究所证明的那样,引力波源不管是正向还是侧向或者是以某种角度对着我们的探测器对于是否能接受到引力波都是没有任何影响的;它们始终都辐射着可以被测量和观测到的带有振幅和频率信息的引力波。以我们的肉眼来看不同方向来的引力波或许在强度或者其他属性上有着那么一点细微的区别,但是引力波从那个产生它们的源头以球状发散地向外传播,只要你的探测器足够灵敏,你就可以在宇宙的任何地方大量地观测到它们。

所以,那么为什么我们没能在我们自己的星系探测到来自双星源的引力波呢?

双质量源这个说法可能让你震惊,举个例子,就像是黑洞们和中子星们现在这样,相互环绕着旋进者。

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(图中文字:宇宙中的双人芭蕾舞,当两颗中子星围绕着共同的引力中心起舞的时候,它们释放着如右图这样的引力波,因为两个天体都在一点点地损失着它们的环绕能量,所以它们就以一个螺旋形的轨道慢慢地接近彼此,并且轨道周期也会相应的缩短。右边的图标显示着双脉冲星星系统PSRJ0737-3039的这种进程。)

从发现第一个双中子星系统开始,就已经知道了引力辐射是带着能量损失的。现在,我们要找到一个位于最后阶段的旋进合并系统就只是时间问题了。

在观测到引力波之前发现了一个看来极其罕见的结构:两颗脉冲星环绕着另一颗。我们可以观测到它的脉冲时间因引力辐射造成的轨道衰减而在某总程度上有些不同。很多脉冲星,包括多个脉冲星双星系统,都因此而被发现。每一个样本我们都能够精确的测量它们,我们的确看到了轨道衰减,它们也的确正在释放着引力波。

同样地,如果我们观测到X光的话就表明在这个系统的中心一定存在一个黑洞。然而目前只通过电磁观测发现过两例双黑洞系统,从观测结果中我们了解到大质量的黑洞会从伴星那里吸积质量,从而会产生这种X射线双星的现象。

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LIGO和Virgo找到了一大批新的质量比从前X光研究单独发现的更大的黑洞。这张图显示的是LIGO和Virgo所探测到的全部十个可信的双黑洞系统的质量,其中还有一个双中子星系统。LIGO/Virgo经过灵敏性上的升级,从这个四月开始应该就可以每周都搜寻双星合并的事件了。

这类系统有这些特点:

1在银河系中含量丰富。

2旋进并辐射出引力波来保存能量。

3这意味着会有特定频率和振幅的引力波经过我们的探测器。

4一旦一个天体开始释放引力波,那么这就意味着终有一天它们会合并在一起。

但是,我们依然没有通过地基探测器观测到它们。对这种情况有一个简单直接的解释:我们的探测器的接受频率范围不对!

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上图是各种引力波探测器的灵敏范围,有标记的,特别是橙色的高新激光干涉仪(advanced LIGO),暗蓝色的LISA,淡蓝的BBO。LIGO只能探测到小质量和短期的事件;

对于更大质量的并且处在合并过程早期的黑洞或者系统我们就需要使用更长基线更低噪声的设备来观测了。

只有处在双星合并过程的最后几秒钟所产生的引力波才能被LIGO/Virgon探测到。几百万甚至是几十亿年来,中子星们或者是黑洞们相互围绕着旋转并且经受着轨道的衰减,它们在径向分离较大的时候是这样,也就是说它们的旋转周期更长,释放的引力波的频率更低。

我们没能在我们的星系发现双星环绕系统的原因就是LIGO和Virgon的激光臂太短了!如果它们不是三四千米长而是几百公里长还带有更多的反射镜的话,或许我们早就在我们的星系看见它们了。就目前的情况来看,这是LISA的一个显著的进步:它能告诉我们有哪些双星系统在未来肯定会合并在一起,甚至能让我们可以预测在哪里?什么时候发生!

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三个LISA太空船将会在 偏转角20度的轨道呈三角形排开,它们的臂长将达到。5百万千米,这个数字不是按规定比例的。LISA在低频率目标的探测方面将会比LIGO更为灵敏,这些目标将包括将来某一天LIGO能够看见的未来的合并过程。

事实上:在LIGO和Virgon运作的这段时间,我们没能在我们自己的星系观测到任何黑洞合并或者中子星碰撞。这并不令人意外;从我们的引力波观测结果上来看,每一年,宇宙中会发生800000次左右的双黑洞合并事件,但是宇宙中有两万亿个星系,也就是说为了观测到一次合并事件,我们需要观测数以百万计的星系!

这就是为什么我们的引力波观测设备需要灵敏到能够在所有方向上观测到那些来自数十亿光年之外的引力波;否则的话我们就不能够得到足够量的统计数据。

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上图是高新激光干涉仪(advanced LIGO)有能力探测到的黑洞合并的范围。值得注意的是即使引力波的振幅会随着I/r而降低,而星系的数量将会随着r^3增长。

在我们的宇宙中有很多的中子星和黑洞在围绕着另一个旋转,包括我们在内的星系里也是这样。 当我们想要搜寻这些双星系统的时候,通过无线电脉冲或者是X光,能找到相当多数量的这类系统,甚至能找到他们释放引力波的证据,虽然我们不是直接看到的。

如果我们有更灵敏,能探测到更低频率引力波的探测器,那我们就有可能直接探测到我们星系里的引力波源。如果我们想要找到一个真正的合并事件,那是很难得的。合并或许需要经过亿万年的酝酿,但是真正的合并事件却只发生几分之一秒。我们只有通过大范围的观测才能找到他们,幸运的是,我们早就拥有能够支持这项事业的技术了。

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