为了探测更远的引力波,科学家想建个城市大小的探测器

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-04-18

为啥要建的这么大?

为了探测更远的引力波,科学家想建个城市大小的探测器

引力波是时空基本结构的波动。图片来源: Shutterstock

俄亥俄州哥伦布市——2.5英里长的引力波探测器还不够炫酷。你知道什么是真正的酷吗?25英里长的引力波探测器。

这是在美国物理学会4月份会议上进行的一系列会谈的结果。下一代引力波探测器将凝视可观测宇宙的最边缘处,寻找时空结构中的波动。爱因斯坦预测这种波动在黑洞等大质量物体相撞时会发生。但发言人说,这项工程仍然面临着一些重大挑战。

“你可能认为目前的探测器已经非常灵敏了,”麻省理工学院的物理学家Matthew Evans告诉听众, “这在某种程度上是正确的,但对探测引力波的场景而言,它们却是最不灵敏的探测器。”

当然,目前的探测器也不可小觑。当4公里长的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次在2015年探测到时空涨缩时——那是13亿年前两个黑洞相撞留下的引力波回响——它证明了曾经完全是理论的浩瀚无形的引力波的存在,并且在短短两年时间内就使LIGO的创造者获得了诺贝尔奖。

但发言人表示,LIGO及其兄弟,位于意大利的室女座干涉仪(Virgo),它们的能力基本上是有限的。麻省理工学院物理学家Salvatore Vitale表示,这两种探测器只能真正发现“相对”接近地球引力波。它们在可探测的对象类型方面也是有限的。

到目前为止,当前这一代干涉仪实际上只得到了两个主要结果:2015年发现黑洞融合,以及2017年8月发现两颗中子星碰撞。它们也已经发现了很多的黑洞碰撞事件,但目前还没有比第一次探测更重大的结果产生。

Evans表示,如果建立更大规模,更精确的LIGO和Virgo,或称为“爱因斯坦望远镜”的另一种大型探测器,波检测速率可以从每几个月一次激增到每年超过100万次。

为了探测更远的引力波,科学家想建个城市大小的探测器

三角形爱因斯坦望远镜是一种大型的引力波探测器,起码还需十年的研发时间。图片来源: CERN

“这些探测器能将我们带到宇宙边缘。我的意思是,它们几乎可以探测到每一个融合的二元系统。”二元系统指的是一对正在碰撞的恒星,黑洞或中子星。

这意味着人类可能将探测宇宙早期的黑洞,重力的深奥秘密,甚至有可能首次探测到恒星爆发为超新星并最终坍缩成中子星或黑洞时产生的引力波。 

越大越好

那么为什么更大的探测器会导致对引力波有更敏感的搜索?为了理解这一点,你必须了解这些探测器是如何工作的。

正如Live Science之前报道的,LIGO和Virgo形如巨大的直角尺。两个隧道以直角相互分开,使用激光对隧道长度进行极其精细的瞬间测量。当引力波通过探测器,扭曲空间本身时,该长度会稍微改变一点。曾经的一英里,暂时地变为短于一英里的长度。激光以稍快的速度穿过较短的距离,这便表明其中发生了变化。

但是测量的精确度是有限度的。大多数波对激光产生的扰动对于干涉仪来说过于轻微。Evans表示,改善LIGO和Virgo现有隧道的探测技术可以让情况有所改善,而且现阶段也计划这样做。但他说,要真正放大信号,唯一的选择就是使探测器的规模变得更大。

Evans表示,下一个阶段的目标是构造一个L型的探测器,它的臂长为40公里,是LIGO的10倍。他称该提议为“宇宙探索者”。

那么为什么要建这种尺寸的探测器,而不是单纯的两倍或10倍大?

Evans说,在某一特定长度,大约40公里,光从隧道的一端移动到另一端的时间过长,以至于实验可能变得模糊,结果变得不那么精确。

而成本是一个更大的挑战,Evans表示,LIGO和Virgo足够小,因此地球的曲率对其并不是一个重大的建筑挑战。但是当长度达到40公里,且将每条隧道的两端置于地面,这意味着隧道的中心必须是在30米的地下。

“超过40公里,”Evans说道,“从长隧道中挖出的泥土的运输距离就会导致经费的燃烧。”

还有一个基本的问题就是,要找到一个足够大的平坦空间来建造这么大的探测器。Evans说,欧洲基本上没有足够大的地方,而在美国,这些选择仅限于犹他州的大盐湖地区和内华达州的黑岩沙漠。

这些空间挑战驱动了另一种巨大的重力波探测器的设计,叫做爱因斯坦望远镜。埃文斯说,虽然L型是测量引力波的最佳方法,但一个有三条隧道和多个探测器的三角形,在占据更小空间的同时,也能达成差不多的效果,这是欧洲地理局限性的理想选择。

Vitale说,这些探测器还需要15到20年的时间才能完成,而建造这些探测器所必需的部分技术还没有发明出来。尽管如此,他和Evans都告诉聚集在一起的科学家们,“现在是时候开始研究它们了,”Vitale说,已经有8个工作组准备了一份报告,报告将于2018年12月发布关于这类大规模设备的科学依据。

一名听众问Evans,建造一个8公里长的探测器是否有意义,因为一个真正的宇宙探索者或全尺寸的爱因斯坦望远镜还需要10年的时间。

Evans表示,如果他是在一个资助委员会,他不会批准这样一个项目,因为加倍LIGO的规模的科学回报并没有那么大。他补充说,只有在隧道规模的上限下,这样一个项目的成本才是合理的。

他说:“除非我出于某种原因得出了这样的结论,否则这是不值得的。”

尽管如此,Vitale说,这并不意味着科学家必须等待15到20年才能获得下一个主要的引力波结果。越来越多的大规模的探测器崭露头角,包括在日本的Virgo规模大小的神冈引力波探测器(KAGRA)和LIGO规模大小的LIGO-India,随着现有探测器的改进,研究人员将有机会从更多的角度来衡量引力波实例,并获得更多的探测和更详细的结论,从而能得知它们的来源。


蝌蚪五线谱编译自livescience,译者 李彤馨,转载须授权 

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