科技行者美国引力波观测台首次监测到黑洞形成过程

美国引力波观测台首次监测到黑洞形成过程

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2019年5月8日 科技行者
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美国东部时间4月26日上午11点22分,激光干涉仪引力波观测台(简称LIGO)识别出一个引力波信号————计算机模型显示这是人类有史以来观察到的第一次黑洞形成过程。

来源:科技行者 2019年5月8日

关键字:黑洞 引力波探测

美国引力波观测台首次监测到黑洞形成过程

▲ 探测器工程师在LIGO Hanford天文台探测器真空系统内进行硬件升级(图片来源:Jeff Kissel/LIGO)

美国东部时间4月25日凌晨4点18分,根据初步观测,又一轮经过数百万年穿越深空的引力波穿过地球。正如对蜘蛛网上对每一点细微动静都敏感无比的蜘蛛一样,美国的激光引力波探测器及时发现了这种代表过往活动的微妙震荡。相关计算机模型得出结论,此次微波的摆动来自遥远太空的两颗中子星。二者在距离地球5亿光年的位置发生了碰撞。

而在美国东部时间次日上午11点22分,激光干涉仪引力波观测台(简称LIGO)又识别出另一个引力波信号。计算机模型显示这是人类有史以来观察到的第一次黑洞形成过程——黑洞诞生于中子星之内,并逐步将整个星体吞噬殆尽。初步模型显示,第二轮引力波在到达地球之前,穿过了约为12亿光年的星系空间。

在这两次观测当中,LIGO都成功发现了极为微弱的引力波活动,而这一突破性的科学成就,应当归功于研究人员最近对其探测器做出的一系列改进。

位于路易斯安那州与华盛顿州的两座LIGO激光设施直线相距3002公里(地球表面距离为3030公里)。每座LIGO设施会将激光束分为两个部分,这对孪生光束被传送至长度达4公里的两个垂直臂上。干涉仪臂中的光束在经过严格校准的反射镜与光学元件之间往来反射,而后重新组合为光线,并由此生成精细的干涉模式。

这种模式的效果非常明显,因为在光线行进的路径中,即使是微波的空间扭曲(也就是由引力波引发的时空扭曲)都会令结果产生显著的变化。但问题在于:干涉仪对于镜面及光学系统中的热噪声、设备中的电子噪声,甚至是来自周边地区车辆交通以及地震造成的噪声等因素也同样非常敏感。

噪声干扰一直是个非常棘手的难题,这也是LIGO的研究人员在2006年到2014年期间一直无法观察到引力波的重要原因。然而,在2015年9月14日,LIGO第一次发现了黑洞碰撞事件——这使得三位LIGO项目首席调查员获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

在随后从2015年9月到2017年8月的394天运行当中,LIGO又陆续观测到11次引力波事件——平均每35天检测到一次。

在经历了最新一轮设备改进之后,LIGO设施的本轮观察从上月正式开始。而在4月,它就观测到了五起可能的引力波事件,包括三次黑洞碰撞、中子星与中子星相撞,以及黑洞吞噬中子星。

这种每周一次的频率可能真实反映了LIGO设施的新常态。

最重要的是,LIGO发现的这两次事件都涉及到中子星。由于中子星不会吞噬碰撞过程中可能发出的光,因此其向外放射的引力与电磁辐射才更有可能长途跋涉抵达地球。(这种将引力与电磁辐射结合起来进行观测的方式,被称为「多信使天文学」。)

华盛顿州里奇兰市LIGO设施的科学家Sheila Dwyer表示:“中子星也会发光,所以世界各地的很多望远镜都在寻找这类天体,希望能够在不同波长的光线之下实现定位。LIGO项目的一大目标就是通过引力波与光线的结合完成这一目标。”

LIGO设施进行的首次多信使观测始于2017年8月,引力波检测也由此拉开序幕。此后不久,出现了84篇令人惊叹的科学论文,其中探讨了研究人员如何检查从伽马射线到无线电波光谱的各类由碰撞产生的电磁辐射。此次被称为GW170817的事件带来了一系列科学成果,包括通过对引力波速度的精确计算(正如爱因斯坦所预测的那样,引力波速度等于光速)揭开了伽马射线爆发的神秘面纱,并在一夜之间更新了元素周期表中关于重元素宇宙来源的模型(根据对碰撞事件的引力与电磁辐射进行研究得出结论,宇宙中比铁重的元素大多来自GW170817这样的中子星碰撞事件)。

美国引力波观测台首次监测到黑洞形成过程

▲LIGO团队成员安装了真空设备(图片来源:Jeff Kissel/LIGO)

当S190425z与S190426c信号传入时,世界各地的望远镜开始指向由引力波观测所指示出的空间区域。然而截至本文发稿之时,研究人员们仍然没有找到天空中存在的伴星源。

但值得肯定的是,随着LIGO设施观测敏感度的不断提升,更强大的观测能力使得我们有望在GW170817这一历史性事件之后进一步运用好多信使观测的强大力量。

Dwyer表示,LIGO的最新版本采用高效反射镜进行光线反射,这意味着从光线到镜子的机械或者热能传递率极低。这一点非常重要,因为平均而言,激光在重新组合并形成检测器干涉模式之前,需要沿着干涉仪臂进行多达1000次的自反射。

她解释称,“现在,我们的反射涂层已经拥有极低的吸引率,即使只吸收极少量激光,光学元件也有可能因发热而出现变形。”

如果LIGO团队能够设计出损耗水平更低的镜面涂层(这类涂层也能够在光学、通信以及光子学等领域实现后续应用),那么他们将能够通过干涉仪臂的激光功率,使其从目前的200千瓦提升至计划中的3兆瓦。

据华盛顿州里奇兰市LIGO设施的首席科学家Daniel Sigg所言,另一项改进则涉及对激光进行“挤压”,处理之后的激光在幅度与宽度方面将低于海森堡不确定性原理的基本判断。

Sigg指出:“我们无法以高精度方式同时测量光子的相位幅度或强度。但这无伤大雅,因为我们只需要计算光子数,并不非常关心其相位与频率。”

也就是说,LIGO设施会利用激光器生成“压缩光”光束,其能够在同一域(振幅)内具有更高的噪声,同时降低另一项属性(相伴或频率)的不确定性。因此在两个光子可观测量之间,海森堡原理仍然有效。

这使得LIGO的“眼睛”能够捕捉到宇宙当中越来越多活跃的天体碰撞事件;而每一次发现黑洞或者中子星的碰撞时,LIGO都会为我们带来新的科学发现与潜在的衍生技术成果。


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