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什么是引力波,?學(xué)者:發(fā)現(xiàn)它意味著人類有了第六感(3)

2016-02-12 10:53:48      參與評(píng)論()人

在韋伯設(shè)計(jì)建造共振棒的同時(shí)期,,有部分物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了共振棒的局限性,有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測(cè)方案在那個(gè)時(shí)代被提出。到了70年代,,麻省理工學(xué)院的韋斯(RainerWeiss)以及馬里布休斯實(shí)驗(yàn)室的佛瓦德(RobertForward),分別建造了引力波激光干涉儀,。到了70年代后期,,這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測(cè)器的重要替代者。

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引力波激光干涉儀的工作原理

上圖可以描述引力波激光干涉儀的基本思想,。可以簡(jiǎn)單理解為有四個(gè)測(cè)試質(zhì)量被懸掛在天花板上,,一束單色,、頻率穩(wěn)定的激光從激光器發(fā)出,在分光鏡上被分為強(qiáng)度相等的兩束,,一束經(jīng)分光鏡反射進(jìn)入干涉儀的X臂,,另一束透過(guò)分光鏡進(jìn)入與其垂直的另一Y臂。經(jīng)過(guò)末端測(cè)試質(zhì)量反射,,兩束光返回,,并在分光鏡上重新相遇,產(chǎn)生干涉,。我們可以通過(guò)調(diào)整X,、Y臂的長(zhǎng)度,控制兩束光是相消的,,此時(shí)光子探測(cè)器上沒(méi)有光信號(hào),。當(dāng)有引力波從垂直于天花板的方向進(jìn)入之后,會(huì)對(duì)兩臂中的一臂拉伸,,另一臂壓縮,,從而兩束光的光程差發(fā)生了變化,原先相干相消的條件被破壞,,探測(cè)器端的光強(qiáng)就會(huì)有變化,,以此得到引力波信號(hào)。激光干涉儀對(duì)于共振棒的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn):首先,,激光干涉儀可以探測(cè)一定頻率范圍的引力波信號(hào),;其次,激光干涉儀的臂長(zhǎng)可以做的很長(zhǎng),比如地面引力波干涉儀的臂長(zhǎng)一般在千米的量級(jí),,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)共振棒,。

自20世紀(jì)90年代起,在世界各地,,一些大型激光干涉儀引力波探測(cè)器開(kāi)始籌建,,引力波探測(cè)黃金時(shí)代就此拉開(kāi)了序幕。

這些引力波探測(cè)器包括:位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓臂長(zhǎng)為4千米的LIGO(L1),;位于美國(guó)華盛頓州漢福德臂長(zhǎng)為的4千米的LIGO(H1),;位于意大利比薩附近,臂長(zhǎng)為3千米的VIRGO,;德國(guó)漢諾威臂長(zhǎng)為600米的GEO,,日本東京國(guó)家天文臺(tái)臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。這些探測(cè)器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè),,但并未探測(cè)到引力波,。在經(jīng)歷重大改造升級(jí)之后,兩個(gè)高新LIGO探測(cè)器于2015年開(kāi)始作為靈敏度大幅提升的高新探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測(cè),,而高新VIRGO也將于2016年年底開(kāi)始運(yùn)行,。此外,歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA的研發(fā)與建設(shè)也在緊鑼密鼓地進(jìn)行,。

想要成功探測(cè)諸如GW150914的引力波事件,,不僅需要這些探測(cè)器具有驚人的探測(cè)靈敏度,還需要將真正來(lái)自于引力波源的信號(hào)與儀器噪聲分離:例如由環(huán)境因素或者儀器本身導(dǎo)致的微擾,,都會(huì)擾亂或者輕易淹沒(méi)我們所要尋找的信號(hào),。這也是為什么需要建造多個(gè)探測(cè)器的主要原因。它們幫助我們區(qū)分引力波和儀器環(huán)境噪聲,,只有真正的引力波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)或者兩個(gè)以上的探測(cè)器中,。當(dāng)然考慮到引力波在兩個(gè)探測(cè)器之間傳播的時(shí)間,前后出現(xiàn)會(huì)相隔幾個(gè)毫秒,。

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上圖(來(lái)自LIGOLaboratory/CoreyGray)是位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓附近,,臂長(zhǎng)4千米的激光干涉儀引力波探測(cè)器(L1),。下圖為高新LIGO的靈敏度曲線:圖中X軸是頻率,Y軸是頻率對(duì)應(yīng)的噪聲曲線,,儀器噪聲越低,,探測(cè)器對(duì)引力波的靈敏度越高??梢?jiàn)高新LIGO的最佳靈敏度在100-300Hz之間。

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