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探测引力波:灵敏度高了 质疑才能少

2017-07-18 09:27 来源:科技日报

  分别位于美国南海岸利文斯顿(左)和西北海岸汉福德(右)的LIGO干涉仪。

  干涉仪管臂两端安装多面镜子,当一束激光经过干涉仪时会分成两束,沿两个管臂行进。当有引力波出现时,其中一个管臂会伸长,另一个会被压缩,使两束激光由于行进距离不同,再次相遇时变得不同步。

  激光干涉仪引力波观测台(LIGO)宣布第三次探测到引力波不过一月有余,近日美国《连线》杂志报道称,几位独立物理学家对2016年2月LIGO第一次探测到的引力波相关数据提出了质疑。丹麦物理学家安德鲁·杰克逊和其他4人联名给《量子杂志》写信表示,他们对当时的引力波观测数据进行详细分析后发现了无法解释的关联噪音,这意味着,当时探测到的可能根本不是真正的引力波信号,而是声音大一点的噪音。

  虽然有LIGO科学合作会成员公开驳斥了质疑,认为噪音结论可能是代码错误所致,但因激光干涉仪激光会产生量子效应,量子噪音会对引力波探测灵敏度造成严重干扰。因此,只有不断提高灵敏度,这些质疑才会销声匿迹。

  为了降低量子噪音,LIGO项目组在德国GEO600探测仪不断测试其新技术,利用光电子学领域的进展对激光进行压缩,将LIGO探测器的灵敏度提高了50%。而一些量子物理学家们虽然没有参与引力波探测,但为提高引力波探测的灵敏度不断提出创新性理念,就在本周,《自然》杂志刊登了丹麦科学家们提出的一种全新技术,理论上能将引力波探测器的灵敏度提高一倍。

  量子噪音带来的“烦恼”

  LIGO的两个干涉仪分别位于美国南海岸利文斯顿和西北海岸的汉福德,每个干涉仪都由相互垂直成L形的两个4千米长真空钢管臂组成,每个管臂两端都安装很多加工精细的镜子。当一束激光经过干涉仪时,激光束会分成两束分别沿着两个管臂行进。

  当有引力波出现时,其中一个管臂会伸长,而另一个管臂会被压缩,使得两束激光沿着两个管臂行进的距离不同,当再次相遇时就会变得不同步。利用这个原理,LIGO的灵敏度足以探测到只有质子直径万分之一(即10-19米)的目标移动距离。因此,即使引力波信号极其微弱,LIGO干涉仪也能将其捕捉。

  因灵敏度极高,LIGO干涉仪很容易受到来自背景噪音的干扰。对于远处卡车隆隆声以及温差波动等的干扰,科学家们已经有了应对之策,但激光器所产生的激光光束的量子力学波动噪音,往往会将微弱的引力波信号淹没。到达LIGO探测器的激光束内的光子数量不确定性,给移动距离的测量也带来不确定性;不知道具体数量的光子,通过撞击LIGO镜面时施加的动量冲力,也造成了镜面移动,进一步增加了测量结果的不确定性。

  压缩激光“抑制”干扰

  为解决激光量子噪音干扰,LIGO实验组与德国GEO600引力波探测仪项目组合作,采用压缩光技术来弱化量子噪音。现在这些压缩光技术已经在GEO600干涉仪中正式使用,并在LIGO干涉仪进行了初步试用。其原理就是利用量子力学定律中的漏洞,通过增加光的一种特征波动来减少光的另一种特征波动。

  GEO600灵敏度虽然不及LIGO,但LIGO所用的多项核心技术都是GEO600团队的科学家提出设想并在GEO600完成测试的。GEO600项目科学家提出,通过压缩光技术减少激光位移的不确定性,可提高高频率波段的引力波探测的精度,而通过压缩光技术减少激光动量的波动,可提高探测低频波段引力波的灵敏度。

  但目前的压缩光技术,要么只能减少激光位移波动,要么只能减少激光动量波动,不能同时降低两种量子噪音效应。LIGO希望在5年内,使用一种名叫“过滤空腔”的技术,实现对两种激光量子噪音的同步压缩,以改进LIGO对引力波全波段探测的灵敏度。

  新技术是个“潜力股”

  《自然》杂志刊登的最新成果是由丹麦哥本哈根大学尼尔斯·波尔研究所物理学家尤金·波兹克带领其团队完成。他们让激光在撞击目标之前,先通过气态金属铯原子云,向激光施加一个反方向的动力,将激光的动量波动完全“抵消”,从而将量子效应带来的不确定性降低了34%。

  波兹克团队已经开始与莫斯科大学和俄罗斯量子中心开展合作,进一步对这一技术进行改进。马克斯·普朗克引力波物理学研究所和LIGO等机构的研究人员也在与波兹克团队商讨合作事宜。

  虽然这一新技术还没在引力波探测中进行验证,但LIGO项目组成员、美国麻省理工学院(MIT)物理学家纳吉斯·马瓦瓦那认为,初步统计结果显示,该技术非常具有潜力。波兹克表示,再经过5到10年的发展,该技术或能将引力波探测仪的灵敏度提高一倍。

(责任编辑:王蔚)

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