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

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2019-03-10 08:02

[摘要]2016年9月,LIGO首次探测到了两个黑洞合并产生的引力波。迄今为止,它已经观测到了十个黑洞合并事件,以及两个中子星合并事件

未来十年,引力波的观测频率将接近每小时一次。英国和美国的科研资助机构于今年2月14日宣布,从2023年开始,激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)将进行2015年以来最重大的一次技术升级。

图片来源:Victor de Schwanberg/Science Photo Library

美国国家科学基金会(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门(UK Research and Innovation)则会提供1070万英镑(约合1370万美元)的资金,另外还有一小部分资金来自澳大利亚。LIGO位于华盛顿州和路易斯安那州的两个站点的升级将包括增加一个300米长的高真空光学共振腔(optical cavity),用以产生理想的激光束——LIGO探测系统的核心。这将有助于科学家们调控激光的量子特性并减少噪声。

LIGO包括位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台L形干涉仪,每台干涉仪有两个长达4公里的臂。它从2002年开始运行至2010年,然后在经过大规模升级后于2015年重新启动。

当年9月,LIGO首次探测到了两个黑洞合并产生的引力波。迄今为止,它已经观测到了十个黑洞合并事件,以及两个中子星合并事件(go.nature.com/2Uia2NT)LIGO一直在进行定期升级,经过旨在提高其50%的灵敏度的升级后,即将重新开放运行。

还能更强!

但ALIGO +的升级计划将更加激动人心。英国格拉斯哥大学的物理学家Ken Strain表示,如果一切按计划进行,LIGO将能够发现距离地球325百万秒差距(约10亿光年)范围内发生的中子星合并事件。Ken领导的一批英国大学预计将获得大部分来自英国资助机构的经费。相比于ALIGO +升级之前的设计探测精度(173百万秒差距),这次的升级几乎将LIGO的探测精度提高了一倍。

LIGO已经能够发现数十亿秒差距内的黑洞。到2022年,它每天都应能检测到一个这样的事件,而接下来的ALIGO +升级会将探测间隔缩短至几个小时

LIGO前主任Barry Barish在华盛顿哥伦比亚特区举行的新闻发布会上表示,此次升级不仅仅会提高探测频率,同时也将提高观测质量。例如,降低噪音将使研究人员能够了解黑洞在合并之前是如何自旋的,这将为研究黑洞的历史提供线索。“它(这些升级)让你有能力测量现在测不了的事件。”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获得者之一。

降低噪音

引力波干涉仪的工作原理是不断比较两臂的长度。它们通过在每个臂末端放置成对的镜子来反射激光束,然后使两个光束会聚在中心点上并重叠。在没有引力波的情况下,两束光的电磁波振荡相互抵消。但是如果时空受到引力波干扰导致臂长发生变化,则激光束不再相互抵消,这时一个传感器就会开始检测光场。

在实践中,镜子不能完全免受热震动和地震的影响。此外,由于量子物理学的随机性,激光本身会产生噪声。LIGO科学家已经开发出精密的技术来抑制这些噪声源,并且能够从留下的噪声中提取出信号。

即将完成的LIGO升级计划包括实现一种被称为压缩光(squeezed light)的技术,该技术也被用于意大利比萨附近由法意共同领导的Virgo干涉仪。LIGO的压缩光系统将减少到达光传感器的光子数量的波动,但会增强光束推动镜子的效果就像不完全充气的气垫中的空气一样,量子噪声不能被完全消除,只能转移到其他地方。

而ALIGO +的主要改进(需要300米长的管道)在于会引入一种被称为“变频压缩”(frequency-dependent squeezing)的技术。这将使干涉仪可以同时降低镜子上的光压和光子数波动。其他改进将包括采用拥有最先进涂层的新镜子,预计这可将热噪声降低四倍。

原文以Gravitational-wave observatory LIGO set to double its detecting power为标题

发布在2019年2月15日《自然》新闻上

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