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Barry Barish:你手上的金戒指,可能来自一场“死亡碰撞” | 星聚墨子(27)

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引力波观测还能帮助我们解答一个困扰已久的自然界谜题:地球上的重元素究竟来自哪里?中子星碰撞或许就是宇宙中轰击产生重元素的源头。

2017年12月,美国实验物理学家、诺贝尔物理学奖得主巴里·巴里什 (Barry Barish)在墨子沙龙引力波大会上围绕LIGO探测引力波的原理与应用开展了一场科普报告。

本文根据报告内容整理而成。


1

第一部分

十年“一无所获”?实验物理学家的“死磕”

这是激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)的照片。在这个巨大的房间里,你可以看到LIGO的腔体。


▲实验室内的激光干涉引力波天文台 来源:LIGO官网

我们在腔体内安装了大型光学器件,如镜子、激光和测试仪器等,这些是我们实验装置演变的基础。这就是它的样子,人大概只有它的三分之一到一半高。


▲LIGO引力波探测范围图 来源:演讲者

这张图显示了LIGO引力波的探测范围,这一条条数据曲线,记录了从LIGO建成测试,到2001年正式开始引力波探测后得到的一系列数据。曲线的左侧随着地面震动(的减弱)而下降,右侧则受到激光光强的限制。

我们一直在改进装置,图中展示的每条曲线之间相隔几个月,期间我们都会对装置进行升级。这张图展示了我们如何一点点进步。

从2001年起的10年里,我们每次寻找引力波都会进行这样的测量。在这10年期间,我们经历了6个阶段的探测,采集了海量数据,但每次都“一无所获”。这就是实验物理学家的工作日常:进行测量,理解限制实验精度的因素,然后不断改进,力求做得更好。

2

第二部分

相隔3000公里的“神同步”

在不断改进装置,使探测器的灵敏度比最初提高了100倍之后,我们很快探测到了这样一个信号。

这次探测到的黑洞碰撞是质量非常大的天体,这种非常强烈的碰撞,信号频率往往在我们探测范围的低频端,这就是探测器灵敏度需提高100倍的原因,也是我们改进的重点。


▲2015年,LIGO首次直接探测到双黑洞并合引力波事件 来源:演讲者

如果你们能看懂这张图,这次讲座的目的就达到了。这其实是来自两个探测器的信号,一个在路易斯安那州,另一个在华盛顿州。

首先,你会发现这两个信号看起来几乎完全相同。横轴是时间,尺度为200毫秒,也就是说我们看到的信号发生在200毫秒内。后来我们确定,这个信号代表着两个黑洞在相互绕转,它们的速度和频率越来越快,产生了幅度越来越大、频率越来越高的信号,最终合并在一起,随后振动逐渐衰减。

最下面的图表是让实验物理学家对结果产生信心的关键:如果把上面两个信号叠加,并将其中一个平移6.9毫秒,两个信号几乎完全重合。这让我们确信看到的信号是真实的,因为相隔3000公里的两个独立探测器都测到了它。

我们发现,这两个天体的运动速度达到了0.3到0.4倍光速。两个质量均为太阳30倍的天体,在相距仅几十公里的情况下,以相对论性速度相互绕转,这是一个极其震撼的场景。

2016年初,另一个引力波探测器VIRGO(室女座干涉仪,Virgo Interferometer)逐渐升级,在今年(2017年)8月,升级后的Advanced Virgo与我们正式展开了合作观测。VIRGO是由法国、意大利发起,波兰、匈牙利、荷兰等国加入的欧洲合作组织。它与LIGO有微小差别,但以目前的实验目的来看,两者非常相似。


▲VIRGO鸟瞰图 来源:维基百科

3

第三部分

引力波,不止能“抓黑洞”

有一个物理量叫做哈勃常量,它可以告诉我们宇宙膨胀的速度。我们的数据可以用来测定哈勃常量,而目前关于这个常量的值在学界仍有一些争议。


▲Barry Barish团队关于哈勃常量的计算结果 来源:演讲者

我们的测量方法几乎完全独立于基于电磁波的观测结果。这张图展示了我们发表的关于该常量的测定结果,它与基于电磁波观测得出的最佳结果高度一致。这也证明了通过引力波探测,我们能够得出更多有价值的科学结论。


▲千新星事件 来源:演讲者

图中展示的是“千新星”(kilonova)。它描述的是双致密天体(如双中子星或中子星-黑洞)并合时产生的光学-红外瞬变现象。我们利用各种设备对其进行了研究,观测结果与理论的大致描述十分吻合。未来,我们将继续探索电磁波与引力波相结合的观测手段。

此外,引力波观测还能帮助我们解答一个困扰已久的自然界谜题:地球上的重元素究竟来自哪里?我们知道,铁及铁以下的元素是自然通过恒星的核聚变燃烧制造的,但重元素的产生方式一直是个难题。


▲2017年,科学家对于重元素来源的预测性分析 来源:天文学家Jennifer Johnson,俄亥俄州立大学

在实验室中,我们通常用中子轰击较轻的元素来产生重元素。以此类比,中子星碰撞或许就是宇宙中轰击产生重元素的源头。图中展示了重元素来源的分析,黄色部分代表来自中子星合并事件的贡献。一些大家熟知的矿产元素,比如铂和金——你们手上的戒指很可能就是由远古时期的中子星碰撞所产生的。

展望未来,引力波探测领域很快将迎来新的探测器。日本正在神冈矿建造一个名为KAGRA的探测器。它将至少为我们提供两项新技术应用的机会:首先是深入到震动更小的地下环境,其次是通过冷却装置降低噪声。KAGRA应该很快就能加入我们的国际合作。


▲KAGRA(Kamioka Gravitational Wave Detector,神冈引力波探测器) 来源:KAGRA官网

此外,LIGO团队也正在与印度合作建立探测器。期待在未来,LIGO能探测到几乎太空任何位置的信号,具有更高的方位分辨度,并与基于电磁波的观测设备对比印证。

内容整理:诗学

文章转载自"墨子沙龙"公众号


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