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麻省理工首席探测家揭秘引力波事件遗漏的细节

仪表人物中国仪表网2016年03月03日 10:22人气:13078

  【中国仪表网 仪表人物】引力波的出现触发了科学界的神经,除了科研人员的功劳外,也离不开测量计量仪表的辅助。2016年2月份,麻省理工的激光干涉引力波天文台liGO宣布人类首次直接探测到了引力波,这一消息引发了全球关注。直接探测引力波的意义不仅仅只是验证了爱因斯坦广义相对论的预言,更是为人类了解我们所在的宇宙开辟了一个全新的窗口——由于引力波独特的性质,我们可以利用引力波观测探索电磁辐射等传统观测手段所无法企及的全新物理现象。 而在五花八门的引力波探测器中,为什么是liGO笑到了最后?利用引力波,又真的能发现外星人吗?……
  
  《造就》特约记者带着种种好奇前往麻省理工学院liGO总部,希望让liGO首席探测科学家来亲身叙述那些铺天盖地的报道新闻中遗漏的种种细节。
  
  
彼得•弗雷斯切尔(右一)
  
  彼得•弗雷斯切尔(Peter Fritschel)是MIT的高级研究员,同时也是liGO实验室的首席探测科学家。有意思的是,我们了解到,他已经在引力波探测这个领域工作了差不多30年!即使没有这次发现,他们整个团队也会继续坚持下去,开发新设备、新技术,持续地探测。也就是说,这个科学家耗了近30年去证明百年前另一个伟大科学家一个猜想验证上,并且,在未来也会耗尽一生专注在成功概率极低的宇宙黑洞、中子波等等物流现象的探寻上。
  
  他认为,这次引力波被成功探测到有两大意义。第一、这不仅是liGO,也是国际上其他探测器在几十年不懈努力后,人类第一次真正探测到想象中的引力波。第二、这次探测到的引力波是由两个大质量黑洞产生。这两个黑洞都相当于太阳质量的30倍左右,且处于同一个二元系统中,相互环绕运行并逐渐靠拢,最终合并为一个黑洞。
  
  这个发现开拓了引力波天文学的新领域,预计未来还将发现更多类型的引力波来源,而人类通过探索这类引力波来源的特征,以及黑洞之间的质量差异等等,将会发现更多其他类型的天体系统,比如中子星和超新星等致密天体。
  
  从2010年开始,liGO探测器开始升级,到2015年才完成升级的过程。其实探索引力波的工作,是从21世纪初就开始了,但因为早期的探测器没有探索到引力波,所以liGO设计了升级版。为了让设备达到设计水平,liGO采用增量策略,不断调试设备、并且在提高灵敏度的渐进过程中顺道收集更多的数据。“这个过程(从设计升级到完成升级),基本上花掉了我们本世纪的头十年。”
  

  liGO在2015年9月14日计算机模拟显示两个黑洞碰撞到空间和时间的扭曲。
  
  liGO在让新探测器运行时,是逐步提升仪器的灵敏度到最大值,但其实尚未达到设计能力,目前仪器只达到设计灵敏度的三分之一。但新的探测器运行第一次进行数据收集工作就探测到了引力波。
  
  彼得微笑着透露了一个细节:升级版探测器的数据搜集的工作是从去年9月开始,持续到今年1月结束。其实升级版探测器探索到引力波信号,是在2015年9月,之后经过反复确认才公布。
  
  而他们从来都没有预料到,一开机就会探测到上述的双黑洞系统。因为多年来,科学家一般都认为引力波来源可能是双中子星系统。双中子星系统不像黑洞这么大,质量小得多。“在那个时候,对于探测到双中子星的可能性,我们其实并不是很乐观。要知道,不到50%的把握。”
  
  不过,liGO一直并未把双中子星视为引力波的唯一源头,他们预测引力波源头应该很广泛,其中就包括双中子星和双黑洞。只要发现一个明确的源头,就能相当准确地计算出它发射的引力波有多强。
  
  所以,liGO的探测器被设计为寻找双致密天体并合这种具有普遍性的二元系统的目标,他们会寻找二元系统崩溃时的信号波形,然后进行计算……这类系统的基本信号波形是相同的:螺旋部分呈正弦波,其频率随时间而增加,幅值也随时间慢慢增加。信号频率开始越升越高,而信号幅值也越来越大。最后,二元系统崩溃,两个天体最终合二为一,信号呈现衰减趋势。
  
  在寻找这种有普遍性的系统时,liGO必须得先确定寻找的范围。比如寻找总质量是太阳质量一百倍以内的二元系统。
  
  由于黑洞本身不会发射任何电磁波。在双黑洞合二为一的过程中,它们同样不会发射任何电磁波。到目前为止,没有人成功观测到黑洞的碰撞,但人们却推算出了这一过程。
  
  彼得介绍,liGO所设计的升级版探测器从某种意义上来说,更类似一个麦克风,它能从各个方向接收空间中的波动。他们建造了两套探测器,对着天空中的某个范围进行数据搜集,通过比较到达时间的差异,在一定程度上确定某种波动在天空中的方位。也就是说,这次发现其实是个偶然性很大的事件。
  
  《造就》查阅资料发现,目前科学界探测引力波的仪器,是以激光干涉仪为原理,代表就是美国的liGO和欧洲的VIRGO。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。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。同理,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。
  
  这个原理放到天空上,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。
  
  liGO的探测器可以说是一种对频率~100的信号最敏感激光干涉仪——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。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。
  
  虽然很多科幻小说中设想,人类将来或许将使用引力波与外星人进行交流,比如中国影响力最大的科幻小说《三体》中就有这个情节。但彼得解释:引力波的特性是它与物质的相互作用非常弱,它能从源头直接传出,而且在传播过程中不发生任何改变。与从前天文探测所依赖的电磁波会跟自己穿透的物质互相作用,当被探测到时,它的特征已经发生变化,科学家总是得试图弄懂是什么扭曲了它。所以,从理论上来说,引力波确实很适用于星际通讯,因为不管它传播过程中通过了什么物质,都不影响交流。
  
  但问题在于引力波很难被制造。而且检测引力波也不容易,“我们使用了像liGO这样的大型探测器才检测到黑洞这样大的引力波事件。也许我的想象力不够,但是我认为不太可能(将其实际用于星际通讯)。”
  
  对于未来探测到更多的引力波,彼得还是非常乐观的。因为现在这套设备的灵敏度,只有设计水平的三分之一。当它达到设计能力时,意味着灵敏度能提高到初始的三倍,就是说,对引力波更加敏感,而且探测距离将三倍于从前,这就是引力波不同于电磁辐射的另外一个特点。
  
  人们通常使用电磁波望远镜测量能量,电磁波的强度与距离的平方成反比。它的强度与距离的平方成反比。而引力波的振幅强度与距离成反比。所以,如果我们把灵敏度提高到原来的三倍,那么就可以观测到三倍远的距离,“这意味着我们可观测到的空间就扩大到原来的27倍!”
  
  现在liGO与意大利的处女座引力波探测器已经开始合作,互相分享数据和技术,“只有大家彼此分享数据,科学才更容易进步。”彼得还透露,日本也在建造一个位于神冈矿场的地下探测器,它还需要好几年才能以有效的灵敏度投入运转,但相信最终他们也会合作。目前liGO有三个探测器,分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州,第三个探测器则放在印度,而且是采用liGO提供仪器,设施将由印度政府建造和运营的合作模式。他非常期待能在中国也建设一个探测器基地。
  
  这位让人尊敬的科学家,他最想对纠结于收入与爱好两种选择中的年轻人说:“你是不是喜欢你的工作?你自己有没有在做一项有挑战性的工作并享受其中?你是不是和一群你喜欢的人一起工作。只有这样,你才会不断地被激励。”这个世界上,有许多可以实现造就自己、造就未来的方法。于他而言,造就指的就是基础科学研究,对于其他人,可能是艺术或音乐。“如果你被那种创造精神所激励,你需要找到一个机会,并且积极去追求它。”
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