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為了捕捉引力波 地球上打造了一處振動最小的地方

發(fā)布:cyqdesign 2019-09-03 10:00 閱讀:2370
據(jù)國外媒體報道,在美國路易斯安那州的LIGO(激光干涉引力波天文臺)附近,汽車一旦進(jìn)入方圓2.4公里之內(nèi),就要以每小時16公里的限速行駛。這是因為LIGO天文臺中裝有一臺巨大的精密設(shè)備,哪怕再微小的振動都能被它捕捉到。 uj&^W[s  
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圖為位于美國路易斯安那州的LIGO探測器。為準(zhǔn)確捕捉細(xì)微的引力波擾動,該探測器的干涉臂長達(dá)4公里。
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因此,在LIGO天文臺工作的科學(xué)家們必須盡最大可能排除所有可能的噪音源,包括降低探測器附近的車速、監(jiān)測地面的細(xì)微振動、甚至用特殊的鐘擺系統(tǒng)將設(shè)備懸掛在空中、從而將振動降到最低等等?茖W(xué)家殫精竭慮,都是為了在地球上打造一個振動最小、“最安靜”的場所。 +J$[RxQ#  
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為何LIGO的物理學(xué)家們?nèi)绱藞?zhí)著于排除噪音和減少振動呢?要理解這一點,首先要明白引力波究竟是什么、以及LIGO是如何探測引力波的。 !O)Ruwy  
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根據(jù)廣義相對論,空間與時間都是同一連續(xù)體的一部分,這個連續(xù)體就是所謂的“時空”。在時空中,迅速加速的大型物體可以產(chǎn)生引力波,就像石頭扔進(jìn)湖中時產(chǎn)生的一圈圈向外擴(kuò)散的漣漪一樣,這些引力波便體現(xiàn)了宇宙紋理的拉伸與收縮。 kAf:_0?6  
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要測量這種時空變化,就要用到一種名叫“干涉儀”的儀器,它的原理如下:當(dāng)引力波朝一個方向拉伸時空時,也會使時空在垂直方向上發(fā)生收縮,假如水中有一枚浮標(biāo),當(dāng)一道水波經(jīng)過時,浮標(biāo)就會隨之上下浮動,而當(dāng)引力波穿過地球時,地球上的所有物體也會像這枚浮標(biāo)一樣輕輕震蕩,只不過是前后振動,而非上下振動。 E/LR(d_  
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LIGO探測器由一個激光光源、一臺分光器、幾面鏡子和一臺光探測器構(gòu)成。光束離開激光器后,被分光器分為相互垂直的兩束光,然后分別沿著兩條干涉臂運動一段相等的距離,被干涉臂末端的鏡子反射回來,再擊中光探測器。當(dāng)一道引力波穿過干涉儀時,其中一條干涉臂便會稍微拉長、另一條則會稍微縮短,因為如前面所說,引力波會在一個方向上拉伸時空、同時在垂直方向上壓縮時空。這種變化極其微小,卻可以通過擊中光探測器的光線反映出來。LIGO的探測敏感度有多高呢?相當(dāng)于在測量從地球到最近的恒星之間的距離(約4.2光年)時,誤差不超過人類頭發(fā)的直徑。 g`gH]W FcG  
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為達(dá)到如此驚人的敏感度,科學(xué)家必須盡可能排除任何可能對這條精密設(shè)備造成干擾的因素。首先,這兩條4公里長的干涉臂是地球上最完美的真空環(huán)境,內(nèi)部幾乎沒有一個分子,因此沒有任何東西會影響光束的行進(jìn)路線。探測器周圍還裝滿了各式各樣的監(jiān)測設(shè)備,如地震儀、磁力計、麥克風(fēng)和伽馬射線探測器等等,以便及時查明并清除數(shù)據(jù)中存在的干擾。 6+FmYp  
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科學(xué)家必須及時找出任何可能對信號造成干擾、或可能被錯誤地解讀為引力波信號的影響因素,并將其排除。這些因素包括探測器的自身缺陷(既所謂的噪音),或者并非由天體物理產(chǎn)生、但可能被儀器檢測到的干擾信號。物理學(xué)家甚至還要考慮構(gòu)成探測器鏡面的原子的振動、以及電子元件中電流的偶然波動。而從更大的尺度而言,大到一列從附近經(jīng)過的貨運火車、小到一只喝水的烏鴉,都可能造成干擾。 /l0\SVwa>  
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而這些干擾可以說極為棘手。有一段時間,測量引力波探測器周圍地面運動情況的儀器總能探測到一個數(shù)據(jù)尖峰,并且始終找不到原因。一直到幾個月之后,科學(xué)家才找到了問題的根源:一塊石頭卡在了一套通風(fēng)系統(tǒng)的彈簧和地面中間,導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的振動情況無法被反映到探測器那里?梢娫谔綔y來自遙遠(yuǎn)宇宙的微小振動時,具體還要取決于地球上的實際情況。 UBi0 /  
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最重要的是,人類已經(jīng)打造了三臺引力波探測器。除了位于美國路易斯安那州和華盛頓州的兩臺探測器之外,還有一臺位于意大利。因此,假如真是因為貨運火車或一塊小石頭導(dǎo)致的干擾,也只會顯示在其中一臺探測器的信號中。 hp,bfcM  
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利用這些高端工具和精密算法,科學(xué)家們便能計算出某個信號的確為引力波信號的概率。在探測到某個信號時,甚至還能算出該信號為“假警報”的可能性。例如,前兩個月探測到的一個信號的“假警報率”低至20萬年一遇,說明它是引力波信號的可能性極高。當(dāng)然,我們還要等到最終裁定結(jié)果出爐,才能百分之百地確定這一點。(來源:新浪科技)
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