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话题

项目和设施

捕捉重力,滚动

01 Sep 2015
从2015年9月的物理世界问题起

在爱因斯坦预测引力波的存在之后近一个世纪,长时间努力直接检测它们正在加热。 David Appell.. 解释了激光干涉测量引力波天文台的重大升级可能很快将狩猎成功关闭

重力捕手:Ligo

在华盛顿东部的干燥灌木丛中,距离美国曾经是几英里’S Premier Plutonium Factory厂坐落在巨大的实验室,它的两个长臂伸展到远处。在刮风的日子里,滚动滚动滚动,堆积在臂上’混凝土住房和为实验室创造头痛’S维修工人。然而,内部,激光干涉仪引力波天文台(Ligo)的科学家们有一系列的活动为设施中最令人兴奋的时期做好准备’S 14年的历史。本月晚些时候,他们将开始与升级的机器,新仪器和相应的感觉开始观察,这次是当他们走上引力的波浪狩猎时’重新抓住一个大。

1916年由Albert Einstein预测引力波作为他一般的相对论理论的场方程的结果。这10个耦合的非线性方程将宇宙制定为质量能量和时空之间的动态相互作用。当物理学家约翰惠勒放了它,“物质告诉空间如何曲线,空间讲述了如何移动。”一般理论的一个预测是,当大块移动时,它们导致空间时间的织物翘曲,产生以光速向外传播的涟漪。这些涟漪被称为引力波,但它们不是在电磁中发现的熟悉的正弦曲线。相反,它们在一个方向上伸展空间,垂直于行程线,同时将其压制在另一个方面 - 一点像嘴唇一样褶皱,向上和向下划。

爱因斯坦没有预测’S方程已经被证明是错误的,在20世纪70年代的观察结果中,在另一个中子星的轨道上的一个快速旋转的中子星 - 强烈建议认为引力浪潮确实存在(见“Pulsar detectives”以下)。然而,尽管有几十年的尝试,但没有人直接检测到这样的波浪。

利奥乐被建成以改变这一点。从2002年到2010年,激光束从实验室行驶’毂向下沿两条长长,垂直的臂,在那里它们反映了巨大的悬垂的肿块,并在其起源附近重新组合。该想法是传递引力波会导致质量移动足够的移动,以便在重组激光束的干涉图案中改变并产生可检测的相移。在Ligo的少数场合’首期的实验操作,研究人员认为他们已经发现这种转变 - 仅用于被视为噪声的假定信号,或者在一个情况下,由合作中的研究人员产生的故意假装是对其内部数据的测试 - 检查程序。

然而,现在,华盛顿汉福德附近的利戈设施 - 以及它在Louisiana的双胞胎,进入了新的时代。 3月份承包商完成了221万美元的双重设施升级,这改善了他们通过这个升级的升级来改善了他们检测虚毛的虚毛的能力。由于这种升级,被称为先进的利波,或者aligo - 研究人员应该能够检测到引力的波浪这源于在半径约420万光年的球体内的任何地方,以地球为中心。这仍然只是总宇宙的一小部分,但它’在升级之前,千倍增加(按卷)在可能的情况下。随着升级的系统踢到高档,在2016年或2017年实现了设计敏感性,Ligo的科学家们悄然相信他们会看到真实的东西。

只有一个静止

最近完成的aligo升级都具有相同的目标:降低噪音。当然,对于许多物理实验,噪音会对许多物理实验带来挑战,而是对于双利胶机及其干涉测量,问题特别锐。虽然引力波来自宇宙中的一些最具大量和充满活力的系统(例如一对黑洞或彼此的中子恒星),但它们的幅度非常小,而且到达地球的时间非常小。事实上,预期传递的引力波将改变Ligo的长度’S 4公里长的臂只有几个朝象(10–18 m) - 比质子直径少1000倍(见“How LIGO works” below).

为了确保天文台可以检测到这种微小的变化,几乎升级了Ligo的各个方面。对于初学者来说,已经安装了一种新的隔离系统,以防止地震噪声(例如,通过卡车或微小地震)横跨兴趣将是波浪观察者的频率范围可忽略不计。双重美国设施在此处至关重要,因为在一个设施中看到的噪音而不是另一个设施,而且可以统治局部打嗝,而不是通过引力波。

然而,在较高的频率下,Ligo检测器的性能受到射击噪声的限制,这是从光的量子性质产生的。基本上,由激光产生的光子的数量随时间波动,在光束的幅度和相位中产生不确定度。增加激光’S功率在某种程度上减轻了这个问题,因为由传递的引力波产生的信号与电力成比例地变化,而射击噪声与功率的平方根成比例。因此,Aligo提高了设施的力量’S激光超过一个数量级,从10W到大约200 W的初始输入。

但是,这会产生一个新问题。这些激光光子中的每一个包装一个微小的动量冲头,并且总的来说,它们产生足够的辐射压力,使每个手臂末端的肿块略微略微。为了抵消这一点,群众已经提高了:Aligo质量均较大直径(34厘米代替25厘米),比以前更大(40千克代替11千克)。这将辐射压力引起的运动降低到与悬挂的电线中的热噪声相当的水平 - 通过用熔融石英纤维更换旧钢丝而自身减少的噪音。

挤压

然而,为了真正获得射击噪音的手柄,你需要更加强大的激光器和更大的群众。这就是Sheila Dwyer等物理学家的专业知识。利戈的博士后研究员’S Hanford网站,Dwyer于2010年开始在实验室工作,当时她是马萨诸塞州理工学院的博士学生。她的研究生工作(用天体物理学家和引力波检测专家Nergis Mavalvala进行)跨越量子光学,量子测量理论和引力波检测,并在最重要的aligo升级之一中制作了核心作用:开关发出异国情调形式的激光,称为a“squeezed state”.

与所有颗粒一样,挤压光的光子遵守不确定性原理:任何两个互补特性(如幅度和相位)的不确定性的产物始终等于或超过ℏ/ 2。是什么让挤压的光线特性是这些变量之一的不确定性已经存在“squeezed”下来,而另一方的不确定性相应地允许向上气球。在Ligo,阶段的波动被挤压,从而可以更精确地测量重新组合光束的相移。当然,这意味着梁中的波动’S幅度变得相对较大 - 这一切都更重要的是,Aligo中使用的镜像群体与合理可能的镜像一样重。

DWYER解释说,利加利奥不是第一次使用挤压光的重力波干涉仪。这种荣誉属于德国Sarstedt的Geo600实验,该试验于2011年开始使用挤压光,现在在正常运营中使用挤压。物理学家发现,在某些频率(约3 kHz),挤压量子噪声减少三分之一,增加机器’频带中的引力波的检测速率(3/2)3 (约3.4)。对于Ligo来说,Dwyer在她的博士论文中显示,使用挤压的光线会将探测器灵敏度提高80%,导致六倍的检测率提高。

知道要找什么

而实验主义者专注于升级利焦’S物理成分,理论家一直在改善他们对引力波信号可能看起来的理解。为了帮助识别传递波,数值相对主义者已经计算了预期几个最可能的引力波来源的波形。由于他们的努力,在Ligo注册的任何信号都可以与由二元中子恒星产生的引力波的大约10,000个预期波形进行比较,由二进制黑洞产生约100,000个,从中子星形 - 黑洞的百万波形的顺序二进制文件。这个最后一个数字比其他数字大得多,因为黑洞’S角动量可以耦合到二进制对的轨道角动量,产生更复杂的波形(见 “相对论’s new revolution“).

除了构建预期波形的数据库之外,一些研究人员还在开发算法,这些算法寻找来自其他未想而眼旧的来源的引力波信号。这种搜索(称为a“burst”搜索不对纽约锡拉库斯大学的引力波天文学家邓肯·布朗解释,解释了关于它正在寻找的波形的假设。“这样,当宇宙在夜晚碰到时,Ligo会感受到它,” he adds.

天文学家还制定了aligo可能希望在接近其设计敏感性时看到有多少活动。二元中子恒星被认为是最有前途的引力波来源,(基于用常规望远镜制造的观察)研究人员估计,aligo可以看到最多三个二进制星结合 - 两颗恒星合并形成一个身体的事件 - 它的第一年的行动。在第二年,随着进一步的技术改进,扩大了所观察到的宇宙的一部分,它可能会看到20种聚合,也许在四年后可能多达200。但它也可以看到没有。虽然这将是一个令人惊讶的是,尽管升级,但噪音可能会淹没引力波信号;二进制之星聚合可能比天文学家认为自己的往往会发生;甚至那种强大的非线性重力制度,聚结肌肉结束,在于超越一般相对论。

一颗星的崩溃’由于它成为超新星的核心也将产生引力波,除非崩溃是球形对称的。然而,在这种事件中预期的最大重力波能量远远小于二元聚合(至少10倍)7)。这意味着只有在我们的宇宙后院发生崩塌时,才能看到来自核心崩溃的引力波:在银河系中或其较小的卫星星系中 - 大而小的麦哲伦云。

时代‘多木头天文学’

无论其宇宙来源是什么,首次直接检测引力波将是大新闻。它将确认一般相对论的预测,但更重要的是,它还将给天文学家,天体物理学家和重力理论主义者完全新的信息有关他们学习的对象的信息。实际上,天体物理学家希望,总有一天会像光学望远镜一样经常运作的引力。如果发生这种情况,引力波可以从根本上改变我们的宇宙的图片,就像广播波和X射线天文学一样,从普莱德的沉默的星系被视为明显的波长观察到我们今天知道的喧闹宇宙的沉默的星系,充满了ra和脉冲星,黑洞和中子恒星。在某些时候,甚至可以观察宇宙事件,例如具有基于轻基的望远镜,中微子探测器和引力波观测者的超新星 - 一种新的科学类型“多信使天文学”.

更像是,Ligo或其他基于地面的天文台的检测也可以为更雄心勃勃的继任机构铺平道路。 Dwyer,Ligo Postdoc是一个小组的一部分,适用于下一代探测器的计划。她说,一个带有胳膊的地下天文台40公里可能会带来10个敏感度的10个因素,并且理论上,它可以在理论上检测引力波在大爆炸后产生的大亿年 - 对应于一个太空时间较大的区域而不是aligo.’S目前的敏感球。

更雄心勃勃的计划是在太空中放置引力波天文台。欧洲空间机构的设计’例如,SELISA项目呼吁三颗卫星安排在一个“L” shape so that each “arm” - 由空的空间组成 - 100万公里长。将监测分离距离以检测0.03 MHz的频率的重力波 - 下面,航天器通过太阳辐射压力,太阳风和宇宙射线的波动进行冲击 - 以及100 MHz。在该范围内,预期的引力波来源包括银河短周期二元恒星和超大分离的黑洞二进制文件。一旦引力波检测是地球上的常规,即使超越ELISA,新的想法也会肯定比比皆是。天空 - 不,宇宙 - 是极限。

 

Pulsar侦探

Joseph Taylor JR和Joel Weisberg在1974年利用Russell Hulse和Taylor发现的新型脉冲脉,在30多年前暗示了引力波的存在.Pulsar PSR B1913 + 16是一个快速旋转的中子星,其在未被视为脉冲的中子星周围的轨道上发出电磁辐射。相对论的一般理论预测,这种系统将辐射能量, E,以率

等式描述脉冲条辐射能量的速率

在哪里 m1m2 在圆形轨道上彼此绕两个体的群体是距离的距离 r 分开。 (椭圆轨道的计算和表达有点复杂。)注意辐射功率, P,是消极的,因为该系统正在失去能量,因为两个肿块朝向彼此螺旋。

对于地球太阳系,这种能量损失率达到了微弱的200 W(比烤面包机使用少),并且相关计算表明它们之间的距离仅在400 FM变化(10–15 m)每年。但是对于诸如PSR B1913 + 16的二进制脉冲系统,能量损失率几乎是1025 W - 相当于约2%的太阳’S电磁辐射输出。通过在几年内监测系统,泰勒和威斯伯格发现星星 ’分离迅速缩小,每天约2厘米。更重要的是,他们的观察结果表明恒星的累积偏移’轨道Periastron(星星最近的点)以几乎完全遵循了一般相对性所做的预测的方式降低。随后的工作发现甚至更严格的协议。

Hulse和Taylor共同授予了1993年诺贝尔物理学奖,为他们发现了第一个二进制脉冲条件。 Taylor和Weisberg结果,不仅仅是任何东西,确信物理学家都存在着引力波。

 

利波如何工作

Ligo和其他干涉性引力波观测者(如意大利的处女座,德国和日本Kagra的Geo600)由两个长臂彼此以直角构建。在每个臂的尽头挂起了高度抛光的“test mass”用作在其源处分开的激光束的镜子充当镜子,用单独的光束反射在每个臂上。如果来自远处源的引力波穿过检测器,则它将如此略微地改变检测器中的时空点之间的距离,从而在干涉仪的长度中产生改变’s arms.

该长度变化的大小δL 将是手臂长度(Ligo 4公里’S案; 5公里为处女座和Kagra; GEO600的600米)乘以无量纲的应变因子 h ∼ (GM. /DC.2)(v2/c2), 在哪里 M 系统的质量是产生引力波, v 系统的特征速度’S组件(如彼此的两个黑洞)和 D 它与探测器的距离。的价值 h 与源的距离相差,但是最有可能的来源 - 附近星系和超级全民家的二元恒星的聚合 - h 预计将是订单10–21。因此,为了检测引力波,Ligo需要能够测量其臂长约4×10的变化–18 m.

为了实现这种显着的壮举,引力波天文学家依靠一些复杂的光学器件。在每一个利戈’S双臂,梁在法布里 - 珀罗腔中反射高达400次,在设施多次行驶总距离’S臂长度。然后在光电探测器处重新组合两个光束,测量两个光束的相位差。每个光束的光线行程时间的变化将是δt = 2(ΔL/c) = 2h/c, 在哪里 B 是反弹的数量,创建相移Δφ=(2π)f Δt = 4πh/λ - 约10–9 弧度,在哪里 f 是激光频率和λ的波长。

在其初始阶段,Ligo设计用于检测具有大约40Hz的频率的引力波,以预期的最高重力波频率为10,000Hz,其应变灵敏度最低在约100Hz。 Aligo升级通过转移天文台来改善这一点’S最低可检测频率降至10 Hz,并将其应变灵敏度提高10倍,以至于 h below 10–22。 (低于约1赫兹,甚至小地震振动和地球的不均匀性’来自大气波动的引力领域会产生难以克服的噪音。)因为Ligo Scientist Rick Savage放了它,“We’远远超出在这里分裂毛发。 ”

 

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