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福建福鼎严重内涝引力波天文台LIGO重大升级:未来每小时可探测到一次黑洞合并

2019-03-14 13:44

[择要]2016年9月,福建福鼎严重内涝LIGO初次探测到了两个黑洞归并发生的引力波。迄今为止,它已经视察到了十个黑洞归并变乱,以及两此中子星归并变乱

将来十年,引力波的视察频率将靠近每小时一次。英国和美国的科研扶助机构于本年2月14日公布,从2023年最先,激光过问干与仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)将举办2015年以来最庞大的一次技能进级。

图片来历:Victor de Schwanberg/Science Photo Library

美国国度科学基金会(US National Science Foundation)将为Advanced LIGO Plus(ALIGO +)项目提供2040万美元的资金,而英国研究与创新部分(UK Research and Innovation)则会提供1070万英镑(约合1370万美元)的资金,其它尚有一小部门资金来自澳大利亚。LIGO位于华盛顿州和路易斯安那州的两个站点的进级将包罗增进一个300米长的高真空光学共振腔(optical cavity),用以发生抱负的激光束——LIGO探测体系的焦点。这将有助于科学家们调控激光的量子特征并镌汰噪声。

LIGO包罗位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台L形过问干与仪,每台过问干与仪有两个长达4公里的臂。它从2002年最先运行至2010年,然后在颠末大局限进级后于2015年从头启动。

昔时9月,LIGO初次探测到了两个黑洞归并发生的引力波。迄今为止,它已经视察到了十个黑洞归并变乱,以及两此中子星归并变乱(go.nature.com/2Uia2NT)LIGO一向在举办按期进级,颠末旨在进步其50%的迅速度的进级后,即将从头开放运行。

还能更强!

但ALIGO +的进级打算将越发冲感民气。英国格拉斯哥大学的物理学家Ken Strain暗示,假如统统按打算举办,LIGO将可以或许发明间隔地球325百万秒差距(约10亿光年)范畴内产生的中子星归并变乱。Ken率领的一批英国大学估量将得到大部门来自英国扶助机构的经费。对比于ALIGO +进级之前的计划探测精度(173百万秒差距),这次的进级险些将LIGO的探测精度进步了一倍。

LIGO已经可以或许发明数十亿秒差距内的黑洞。到2022年,它天天都应能检测到一个如许的变乱,而接下来的ALIGO +进级会将探测隔断收缩至几个小时

LIGO前主任Barry Barish在华盛顿哥伦比亚特区进行的消息宣布会上暗示,此次进级不只仅会进步探测频率,同时也将进步视察质量。譬喻,低落噪音将使研究职员可以或许相识黑洞在归并之前是怎样自旋的,这将为研究黑洞的汗青提供线索。“它(这些进级)让你有手段丈量此刻测不了的变乱。”Barish说。Barish是加州理工学院的物理学家、2017年的诺贝尔物理学奖得到者之一。

低落噪音

引力波过问干与仪的事变道理是不绝较量两臂的长度。它们通过在每个臂结尾安排成对的镜子来反射激光束,然后使两个光束会聚在中间点上并重叠。在没有引力波的环境下,两束光的电磁波振荡彼此抵消。可是假如时空受到引力波滋扰导致臂长产生变革,则激光束不再彼此抵消,这时一个传感器就会最先检测光场。

在实践中,镜子不能完全免受热震惊和地动的影响。另外,因为量子物理学的随机性,激光自己会发生噪声。LIGO科学家已经开拓出慎密的技能来阻止这些噪声源,而且可以或许从留下的噪声中提取出信号。

即将完成的LIGO进级打算包罗实现一种被称为压缩光(squeezed light)的技能,该技能也被用于意大利比萨四面由法意配合率领的Virgo过问干与仪。LIGO的压缩光体系将镌汰达到光传感器的光子数目的颠簸,但会加强光束敦促镜子的结果就像不完全充气的气垫中的氛围一样,量子噪声不能被完全消除,只能转移到其他处所。

而ALIGO +的首要改造(必要300米长的管道)在于会引入一种被称为“变频压缩”(frequency-dependent squeezing)的技能。这将使过问干与仪可以同时低落镜子上的光压和光子数颠簸。其他改造将包罗回收拥有开始辈涂层的新镜子,估量这可将热噪声低落四倍。

原文以Gravitational-wave observatory LIGO set to double its detecting power为问题

宣布在2019年2月15日《天然》消息上

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