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为了捕捉引力波,地球上打造了一处振动最小的地方

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。

《为了捕捉引力波,地球上打造了一处振动最小的地方》

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。

科学家必须及时找出任何可能对信号造成干扰、或可能被错误地解读为引力波信号的影响因素,并将其排除。这些因素包括探测器的自身缺陷(既所谓的噪音),或者并非由天体物理产生、但可能被仪器检测到的干扰信号。物理学家甚至还要考虑构成探测器镜面的原子的振动、以及电子元件中电流的偶然波动。而从更大的尺度而言,大到一列从附近经过的货运火车、小到一只喝水的乌鸦,都可能造成干扰。

《为了捕捉引力波,地球上打造了一处振动最小的地方》
而这些干扰可以说极为棘手。有一段时间,测量引力波探测器周围地面运动情况的仪器总能探测到一个数据尖峰,并且始终找不到原因。一直到几个月之后,科学家才找到了问题的根源:一块石头卡在了一套通风系统的弹簧和地面中间,导致通风系统的振动情况无法被反映到探测器那里。可见在探测来自遥远宇宙的微小振动时,具体还要取决于地球上的实际情况。

最重要的是,人类已经打造了三台引力波探测器。除了位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两台探测器之外,还有一台位于意大利。因此,假如真是因为货运火车或一块小石头导致的干扰,也只会显示在其中一台探测器的信号中。

利用这些高端工具和精密算法,科学家们便能计算出某个信号的确为引力波信号的概率。在探测到某个信号时,甚至还能算出该信号为“假警报”的可能性。例如,前两个月探测到的一个信号的“假警报率”低至20万年一遇,说明它是引力波信号的可能性极高。当然,我们还要等到最终裁定结果出炉,才能百分之百地确定这一点。

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