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为了捕捉引力波,地球上打造了一处振动最小的

作者: 金书沁   点击次数:    发布时间: 2019-09-03 14:10

图为位于美国路易斯安那州的LIGO探测器。为准确捕捉细微的引力波扰动,该探测器的干涉臂长达4公里。  图为位于美国路易斯安那州的LIGO探测器。为准确捕捉细微的引力波扰动,该探测器的干涉臂长达4公里。

  新浪科技讯 北京时间9月3日消息,据国外媒体报道,在美国路易斯安那州的LIGO(激光干涉引力波天文台)附近,汽车一旦进入方圆2.4公里之内,就要以每小时16公里的限速行驶。这是因为LIGO天文台中装有一台巨大的精密设备,哪怕再微小的振动都能被它捕捉到。

  因此,在LIGO天文台工作的科学家们必须尽最大可能排除所有可能的噪音源,包括降低探测器附近的车速、监测地面的细微振动、甚至用特殊的钟摆系统将设备悬挂在空中、从而将振动降到最低等等。科学家殚精竭虑,都是为了在地球上打造一个振动最小、“最安静”的场所。

  为何LIGO的物理学家们如此执着于排除噪音和减少振动呢?要理解这一点,首先要明白引力波究竟是什么、以及LIGO是如何探测引力波的。

  根据广义相对论,空间与时间都是同一连续体的一部分,这个连续体就是所谓的“时空”。在时空中,迅速加速的大型物体可以产生引力波,就像石头扔进湖中时产生的一圈圈向外扩散的涟漪一样,这些引力波便体现了宇宙纹理的拉伸与收缩。

  要测量这种时空变化,就要用到一种名叫“干涉仪”的仪器,它的原理如下:当引力波朝一个方向拉伸时空时,也会使时空在垂直方向上发生收缩,假如水中有一枚浮标,当一道水波经过时,浮标就会随之上下浮动,而当引力波穿过地球时,地球上的所有物体也会像这枚浮标一样轻轻震荡,只不过是前后振动,而非上下振动。

  LIGO探测器由一个激光光源、一台分光器、几面镜子和一台光探测器构成。光束离开激光器后,被分光器分为相互垂直的两束光,然后分别沿着两条干涉臂运动一段相等的距离,被干涉臂末端的镜子反射回来,再击中光探测器。当一道引力波穿过干涉仪时,其中一条干涉臂便会稍微拉长、另一条则会稍微缩短,因为如前面所说,引力波会在一个方向上拉伸时空、同时在垂直方向上压缩时空。这种变化极其微小,却可以通过击中光探测器的光线反映出来。LIGO的探测敏感度有多高呢?相当于在测量从地球到最近的恒星之间的距离(约4.2光年)时,误差不超过人类头发的直径。

  为达到如此惊人的敏感度,科学家必须尽可能排除任何可能对这条精密设备造成干扰的因素。首先,这两条4公里长的干涉臂是地球上最完美的真空环境,内部几乎没有一个分子,因此没有任何东西会影响光束的行进路线。探测器周围还装满了各式各样的监测设备,如地震仪、磁力计、麦克风和伽马射线探测器等等,以便及时查明并清除数据中存在的干扰。

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