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诺奖得主Barry Barish报告:我们是如何探测引力波的?

之一

诺奖得主Rainer Weisss:LIGO引力波测量原理

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这是LIGO的照片,在这个诺大的房间里,可以看到LIGO的腔体,这些腔体巨大,在腔的两端,这儿和那儿,又大又直的部分叫做真空阀门,阀门关闭并使腔体内保持真空,就像Rainer Weiss展示的那样,这是进行实验的必要条件。

我们在腔里面安装有大型光学器件,比如镜子,激光和测试仪器等,这些是我们实验装置演变的基础,这就是它看起来的样子,人大概只有它三分之一或者一半的高度,虽然图片里没有人,但尺寸大致是这个样子。

这是真实记录的数据,这张图片Rainer Weiss刚刚展示过,这些数据是在LIGO干涉仪建成但还没开始探测引力波时获得的,大家之前看过同样的图。横轴是频率,从 1 Hz 到10000 Hz,基本是人耳朵能听到的范围,这个频率范围内地面震动足够小,所以才能做LIGO实验,我们的实验室的环境大致就是这个样子,如果我们不去太空做实验的话。LIGO引力波探测范围,最低频率处地球的震动很小,最高频率受限于采样率或者激光光强。

这一条条的数据曲线,是从1990年代末LIGO建设完成并进行测试,到2001年才开始进行引力波探测后得到的一系列数据,每一条都是频率响应曲线。曲线的左侧随着地面震动(减弱)而下降,右侧受到激光光强的限制,中间就是Rainer所说的热噪声,热噪声是由测量的重物工作在室温下造成的,每条曲线都比之前的要好。

 

这就是实验物理学家的工作过程,进行测量理解限制实验测量的因素,改进然后做得更好。所以我们在一直改进,这是其中大约七八条曲线,每条曲线间隔几个月,在期间我们会做一些改进升级装置,这展示了我们如何一点一点进步的,即使最上面那条曲线对应的最早的装置,也比之前搭建的任何仪器灵敏。

从2001年起之后的10年,每次我们寻找引力波,都会做这样的测量,10年期间有6个阶段,我们采集大量实验数据以寻找引力波,每次都失败了。作为实验物理学家,这就是我们的工作,就是一次次做实验,尽我们所能寻找引力波,然后没有发现,我们发表试验结果,同时改进实验做到越来越灵敏,换句话说,不断改进Rainer Weiss的最后一张幻灯片中提到的几个方面,与地面隔离得是否足够好,如何在高频部分有更多的光子数等等,基本就是这样的过程。

最终在没有测量到引力波的情况下,实验装置发展到LIGO的初代,图中两条彩色曲线是对应的频率响应,两次测量的光学器件有一点不同,这条线是我们的设计目标,也是可以做到的,我们还是没有看到引力波,这是大约2010年,然后是数据分析,但那时我不在。

 

随后我们决定在之前的工作之上做更彻底的改进,更新到高级版本,原理还是一样,但是改进过了,我马上会展示关键的改进,就像实验物理学家经常的做法。我们设定了在每个频段提高10倍灵敏度的目标,如图所示,灵敏度也就是Rainer Weiss说的测量δL/L (应变)的灵敏度,这个就是灵敏度,它意味着我们可以测量的宇宙范围,所以如果灵敏度提高10倍,我们就把探测的宇宙范围提高了10的立方倍,因为我们是在宇宙三维空间内探测,所以探测引力波的灵敏度就提高了1000倍,这就是我们的目标。

这10倍的提高的方式是在高频段用更强的激光,中间频段用更大更好的熔融石英作为测试的重物,它们有40kg重并且镀膜,可以反射激光,在低频段提高隔震,所以每个频段都至少提高了10倍,在开机运行测试6个月到1年后,灵敏度成功提高了3倍。

如图所示,上面那条曲线是改进到先进LIGO之前的装置探测到的,可以看到先进LIGO在高频处提升了3倍。两条不同颜色的曲线代表两个探测器,一个在美国西部的华盛顿州,另一个在东南部的路易斯安娜州,应变灵敏度提高3倍,使探测到引力波的灵敏度提高了3的立方即27倍。在低频段,40Hz处,应变灵敏度提高了100倍,引力波探测灵敏度提高100的立方即一百万倍,这时的灵敏度就远远高于LIGO的初代,在高频处引力波的探测灵敏度和速率高了27倍,在低频处高了一百万倍。

 

然后我们运行仪器,需要指出底下的黑线是设计目标,建设资金已经批准到位,只是需要时间把探测器提高到那个水平,所以未来即使不对探测器做新的改变也可以再提高3倍,在这之后我们运行探测器并发现了引力波。

给大家展示结果之前,我们先来看看这次探测的事件有什么特点,这次探测到的黑洞碰撞是质量非常大的天体,这种非常强烈的碰撞,信号频率往往在我们探测范围的低频端,所以这就是需要探测器灵敏度提高100倍原因,也就是我们改进的关键点。

就是Rainer Weiss提到的,把镜子悬挂在四重悬挂装置上,这样就把整个仪器吊离底面,隔离来自顶部的移动,减少了测量重物本身的移动,顶部是一组弹簧,作用和汽车减震器非常相像,用来减少震动,弹簧跟主动隔震反馈系统耦合,可以有方向性地去除底面的移动,这样就可以提高100倍。所有这些改进之后,我们运行装置,几天后就看到了这样一个信号,大家可能都从报纸上和我们的第一篇文章里看到了,我给大家解释一下。

 

大家如果理解了这张图,这个讲座就算是成功了。左边坐标轴上是得到的精确度,可以和Rainer Weiss说的精确度对比,这里广义相对论预言的应变量量级是10^-21,注意纵轴范围从+1到-1,即我们测量的是干涉仪臂的长度变化量与长度之比,在10^-21的范围内,这其实是来自两个探测器的信号,一个在路易斯安娜,一个在华盛顿。

首先可以注意到他们看起来几乎相同,横轴是时间,时间尺度为200毫秒,所以我们看到的信号是200毫秒内,Rainer Weiss刚刚给你们看的那个明暗对比的图像的信号,显示在这里就是上下振动。我们后来确定这个信号代表两个黑洞相互围绕旋转,速度和频率越来越快,产生幅度越来越大、频率越来越高的信号,最终合并在一起,然后振动越来越小。在Kip Thorne的报告里会有一个示意图。

下面那个图是可以让实验物理学家对结果产生信心的,如果把上面两个信号叠加到一起然后其中一个平移6.9毫秒,两个信号几乎完全重合,这让我们相信我们看到的信号是真实的,因为相隔3000km的两个不同的灵敏探测器都测到了。

 

然后就是我们对这个信号的解读,刚开始两个天体以低频相互旋转,如图所示,上下振动的信号周期很宽,然后当天体越来越近的时候信号变得越来越窄,然后合并,最后结束的时候还有一点点信号。注意下面那个图的左边的速度坐标轴,速度是0.3、 0.4倍的光速,所以运动速度是相对论性的,两个天体相离几十公里,以相对论性速度相互旋转是非常震撼的场景,而且它们质量都是太阳质量的30倍。以上就是我们的第一次探索和发现,接下来我来介绍之后的进展。

 

几个月后又有了第二个信号事件,可以看到这跟之前的发现有显著的不同。首先信号的震荡次数多得多,放到一个图里对比信号也小得多,但形式一致,先是震荡变得越来越窄、越来越大,最终当天体合并的时候有一个尖峰信号,最后结束的时候剩下一点点很小的震荡,这就是几个月后看到的第二个信号。

最后,我们看到四个引力波事件和一个可能事件,如图所示,时间轴从左向右,信号幅度是相对幅度,最上面的是第一个信号,幅度也最大,这是因为天体质量大而且距离远。第三个是最长的信号也是最弱的信号,在装置中存在的时间长达2秒。四个信号中第二个是一个可能事件,还不能算作确定事件因为太远了。

 

最后,今年(2017年)八月我们与另外一个引力波探测器(VIRGO)合作,VIRGO是一个法国、意大利发起,波兰、匈牙利、荷兰等国加入的欧洲合作组织,和LIGO相比有微小的差别,但以现今实验的目的看,可以说和LIGO非常相似。

今年(2017)八月VIRGO开始以和LIGO相近的灵敏度运行,时机恰好可以做激动人心的科学研究,这张图的左边是三个时间-频率信号图,底下三个图是同样的信号,跟之前看到的一样。

右边的图上显示的是,通过看LIGO的两个探测器的时间差别和信号幅度差别,可以多大程度上辨别出引力波信号的位置。看最上面三个或者四个大条纹,可以从中判断信号是从哪个位置来的,添加第三个探测器通过三角测量极大地提高了位置精确度。

最底下有一个特殊的信号事件,所以将引力波区位精度提高10到20倍也是可能的,在引力波探测网络中加入第三个探测器就可以。这可以看做是将引力波信息和其他各种电磁波探测信息结合起来的开端,当然这个图中的观测是黑洞事件,所以正如我们预料的没有电磁设备能够探测到的信号。由于时间关系,我跳过这张幻灯片。

 

我们很幸运,因为LIGO本来只运行到今年(2017年)八月份,然后我们将LIGO关闭一年以上,期间将会改进以便进行更多的探测并且可能看到其他的引力波源,但在关闭LIGO之前,我们与意-法合作组VIRGO合作进行探测,我们看到另一个事件。

这个事件跟之前的非常不同,它在探测器里存在了好几分钟而不是几秒钟,这是因为此次天体的质量要小得多。经过分析可以得知这次事件有质量的天体是中子星而不是黑洞,中子星是恒星塌缩的产物,其中的物质以非常紧密的质量很重的核物质的形式存在,但不是黑洞。所以当两个中子星合并事件发生,会有各种核反应,而不像两个黑洞那样的合并。

 

看到这个事件后,由于VIRGO的加入,我们可以确定事件在空中的位置,如右图所示,长长的香蕉状的区域就是LIGO确定的位置,小的椭圆形区域是LIGO和VIRGO共同确定的,在它正好落到的这个区域内。

Fermi电磁望远镜正好探测到一场伽马射线暴,如左图所示,伽马射线暴信号在LIGO探测到信号2秒后产生,所以我们看到了中子星双星事件加上Fermi电磁望远镜看到的伽马射线信号。伽马射线信号也正是很多理论模型所预测的,根据这个结果,全世界的探测器都指向天空中的那个位置,其中当然包括引力波探测器,还有中微子探测器,红外光、射频、X光和伽马线探测器。发现中子星合并事件后,所有这些探测手段都被用来研究其中的现象,这些核反应引起的现象。

 

有很多关于伽马射线暴的理论,由于时间有限我就不解释了,只提一些相关的结果。

首先,有一个叫哈勃常量的物理量,可以告诉我们宇宙以多快的速度膨胀,我们的数据可以定出哈勃常量,这个量的值有一定的争论。

我们的方法几乎独立于基于电磁波观测的结果,这张图就是我们发表的关于这个常量的结果,而且和基于电磁波的观测的最好结果是一致的,这也说明了我们通过引力波探测得出更多的结果。

其次,如图所示,是千新星(kilonova),是描述这种合并事件发生时的各种流行的科学理论,非常引人注目。名字叫做千新星(kilonova),和超新星(supernova)很像,而且用各种不同的装置来研究,观测结果与理论的大致描述符合的很好,这也非常有力的描绘出,未来在这个领域,我们如何把电磁波和引力波观测手段结合起来。

 

我们还可以从引力波观测中理解另一个困扰已久的自然界的问题,即地球上的各种重元素来自哪里。我们在地球上挖到金、银、铂矿,但我们不知道来自这些元素怎么来的,因为它们很难产生,我们知道宇宙中大部分物质是氢和氦这些轻元素,我们知道自然如何制造铁附近以下的元素,也就是通过恒星燃烧自己的核聚变过程,但是确定重元素的产生方式一直都是个难题。

我们知道怎么在实验室造出重元素,所以才能建立元素周期表,知道元素可以有多重,实验室中是用中子轰击较轻的元素产生重元素的,那么可以类比,或许中子星碰撞可以用作轰击产生重元素的源,因为这样就会有很多中子轰击其他元素,而且这种现象已经被研究过了,图中所示是重元素来源的分析,黄色的部分是来自中子星合并事件的贡献。我圈出了一些大众熟知的矿产元素,比如铂和金,你们手上的戒指都有,它们很可能是之前的中子星碰撞的产物。

 

最后我介绍一下引力波探测的未来,很快就会有新的探测器,日本正在神冈矿建造一个叫KARGRA的探测器,这个探测器将至少让我们有机会使用一些新的技术,首先就是深入到震动更小的地表以下,其次就是通过冷却装置降低噪声,也就是Rainer Weiss刚才提到的热噪声,可以被更低的温度抑制,他们(KARGRA)应该很快就可以加入我们的合作。

LIGO和印度的研究团队也正在印度合作建立探测器,到2020年代中期,如右下角图所示,我们应该可以探测天空中的几乎任何位置的信号,并且有很好的方位分辨度,同时可以和基于电磁波的观测设备做对比。

 

讲台交给Kip Thorne前,最后给大家看一条噪声曲线,黑线和其他的线都是基本的噪声贡献源,黑线是我们用LIGO可以达到的灵敏度,这是我们把现在已有的设备噪声降到的极限,在没有建下一代探测器之前达到的极限,我们也有建造新一代探测器的方案,但是应该会在下一个十年。

从这条线可以看出,相比现在的精度或许至少可以再提高10倍左右,而且不用革新性的技术,只要把现有技术做到极限就可以。比如用更重的镜子作为测量的重物,比如100公斤,测量的重物使用更好的材料,我们在考虑用单晶硅,还可以向日本的KARGRA一样降低温度,提高镀膜质量,把反射激光的噪声降到极限,以及提高激光的功率。

从科学上讲,这样提高后我们的研究领域将会涉及更多宇宙学问题,而不只是天文学问题,信噪比也会提高,噪声曲线上噪声非常高的地方精度也可以被大大提高,这样我们就可以做更多实验,比如确定两个相互旋转的天体的自旋如何排列,还可以提高光束质量,以便将统计噪声提高10倍。我的报告就是这些,下面交给Kip Thorne。

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