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倾听宇宙的声音:先进引力波观测设施开始运行
2022-09-23

“先进激光干涉引力波观测设施”代表着人类建造过的最精密测量设备之一

新浪科技讯 北京时间10月15日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,一项旨在搜寻宇宙中时空涟漪的实验设备已经在近日启动运行——设在美国华盛顿州和路易斯安那州的两座实验室从9月开始搜寻产生于遥远宇宙事件的引力波穿过地球时留下的痕迹——这就是“先进激光干涉引力波观测设施”(The Advanced LIGO facilities),该项目此前刚刚经历了一次重大技术升级。

科学家们相信当前这一设施的精度已经足以让它们检测到最为微弱的信号。这项实验背后的先驱之一,美国著名理论物理学家基普-索恩(Kip Thorne)表示,如果这台设施最终一无所获,那么他将会“非常吃惊”。面对媒体,他信心满满地表示:“我们已经在那里了。我们已经进入球场,很显然我们很快就会开球。”

引力波是一种由爱因斯坦广义相对论所预言的现象。它表示的是当物质受到加速时产生的时空扭曲。但这种效应极其微弱,因此只有宇宙中发生的最为剧烈,规模最为巨大的事件才有可能在地球上最精密的测量设备中留下信号。

在LIGO设施运行期间,超级计算机将不间断对海量数据进行分析筛选,从中搜寻任何符合模型预期的信号模式

这样的宇宙灾难性事件可能包括黑洞或中子星之间的合并,或者在一些运气比较好的情况下,可能也包括大质量恒星的爆炸事件(超新星)。而这里所采用的技术便是激光干涉。

设在美国两处地点的LIGO实验室工作原理完全一致——将一束光一分为二,并使其分别沿着一条长4公里的真空管道传播。在此期间这一光束将被镜面反复反射,并最终回到出发位置并重新合二为一,随后这束光将抵达探测器。

如果在此期间由引力波穿过设施,那么这束激光应当会显示出极其轻微的扰动——它将会受到极其轻微的拉伸或压缩。而先进LIGO项目将能够检测出相当于一个质子直径千分之一尺度上的长度变化。

另外,这台超级设施灵敏度最高的波段频率大约是在100赫兹左右,从听觉角度来说大约就处在人类耳朵能够听到的最低频率附近。也正是出于这一原因,对于引力波的探测常常会被形容为是“聆听宇宙的声音”。

美国加州理工学院是该项目的主要参与方,来自该机构的杰米-罗林斯(Jamie Rollins )表示:“这些探测器就有点像是我们在聆听宇宙之音时所用的麦克风。就像在此之前我们在宇宙之声面前一直是聋的,而现在我们开启这台设备,我们打开了我们的耳朵开始倾听。”

L形的LIGO设施外观

LIGO项目最初于2002年开始启动搜寻引力波的工作。随后在2010年被关闭并开始了耗资约2亿美元的技术升级改造。此次技术升级进一步降低了设施的“噪声”水平,从而能够更加精确的识别真实信号。

该项目具有广泛的国际参与度,有很多国家的科研人员参与了项目的研制与运行。如英国科学家参与了LIGO设施内大量镜面设备的研制与维护。

英国格拉斯哥大学的谢拉-洛万(Sheila Rowan)表示:“所有镜面都必须确保处于超安静状态,从而确保它们不会受到任何外界干扰,如此才能排除所有可能性而检测出引力波产生的微弱影响。”在技术升级之后,整个设施在正式启动之前先经过了数周的工程试运行,随后在国际标准时(GMT)上周五15:00(北京时间周五23:00)进入正式科学探测模式。

和所有其他设备一样,LIGO设施也需要通过阶段性的技术升级来提升其探测灵敏度。此次技术升级将让LIGO设施的探测灵敏度提升10倍,儿经过进一步调整,在这个10年结束的时候其灵敏度还将能够提升3倍。

两座LIGO实验室之一的美国汉福德LIGO实验室首席科学家维恩-山德伯格(Vern Sandberg)表示:“我个人最喜欢LIGO项目的一点就是它几乎用尽了整个物理学领域的相关技术和知识,从最为艰深的固体物理与表面物理,到激光,电子,量子力学等等,所有的物理学分支领域。”他说:“在这个领域工作令人愉悦,但同时它也可能令人沮丧。运气好的话,我们再过几个月就能知道结果究竟如何。”

现在,科学家们能做的就是耐心等待宇宙的回应,等待一次重大的宇宙事件——或许是两个黑洞相互合并,也或者是一次猛烈的超新星爆发。

在LIGO设施运行期间,超级计算机将不间断对海量数据进行分析筛选,从中搜寻任何符合模型预期的信号模式,而那些完全意料之外的信号同样值得引起科学家们的密切关注。

基普-索恩指出:“首次记录到引力波从来就不是建造LIGO设施的最大动机。”他说:“最大的动机是我们想要打开通向宇宙的一扇崭新窗户,想要看一看我常说的‘扭曲的宇宙’,这是我们此前从未得见的,观察那些完全或部分由于时空扭曲而产生的结果或现象。当我们真的得到一些结果时,那可真是美妙极了!”

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