LIGO负责人解释发现引力波的感觉

LIGO的过去、现在与未来——LIGO负责人的讲述

图片来源:SXS,模拟极端太空时间(SXS)项目

2015年9月14日,在以通用的灵敏度开始运作不到72小时后,位于华盛顿和路易斯安那州的两个LIGO(激光干涉引力波天文台)探测器发现了一件不可思议的事情:一个与两个巨大黑洞合并产生的引力波信号一致的情况被探测到了!这种直接探测——任何类型引力波的首次探测——带来了一种新型天文学的黎明。两个质量分别为29倍和36倍太阳质量的黑洞合并成为62被太阳质量的黑洞,这是第一次人类观测到如此质量的黑洞。并且这次观测是令人信服的,每个检测器中,大于5西格玛的重要匹配的鲁棒检测是独立进行的。事实上,这两个探测器探测到的是完全相同的东西,毫无疑问,这实际上是一个引力波信号。

图片来源:双黑洞合并产生的引力波观测,B.P.阿伯特等人(LIGO科学合作组织和室女座合作组织),相关论文发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters),116,061102(2016)

虽然关于这一点有许多可以说的,但是没有什么可以代替直接寻找源头。在这样的情况下,这意味着直接去找身为科学家、教授和LIGO负责人的戴夫·赖茨!

图片来源:派尔/加州理工/麻省理工/LIGO实验室

伊桑·西格尔(ES):现在已经有许多关于这次发现的报道,但是在9月份当数据才开始被采集没几天这个信号出现时,情况肯定是不同的。当这些波首次出现时,是你预计会见到的吗?或者说它是一个惊喜?

戴夫·赖茨(DR):它的振幅让我感到吃惊,这是一个非常强烈的信号。这是个黑洞,很少有人会预测到二元黑洞会是我们最先探测到的东西。这个黑洞比其他观测记录过的恒星质量的黑洞都要重。有那么多的元素……就在黑洞那儿!

图片来源:LIGO合作组织

ES:关于LIGO,你希望每个人都知道,但是还没得到应有重视的东西是什么?

DR:我认为有一件事确实没有被广泛关注,这件事不是太关于LIGO,而是关于其他即将上线的探测器和它们将发挥的作用。有很多其他探测器即将上线:一个是在意大利,VIRGO探测器有望在今年上线。在日本神冈的矿山有一个叫做KAGRA的探测器有望于2019年上线。然后,印度宣布他们要建一个引力波探测器,这是我们一直追求了四年的东西。

让这些探测器上线是十分重要的,它将使我们能够将引力波天文学和电磁(传统天文学)结合起来。下一步是:让三、四个或者五个干涉仪同时观测应力波,迅速在几分钟之内定位它,并让其他天文台立刻捕捉它,用光学或X-射线波段捕捉它。这将给我们提供一个对这些灾难性事件的全新理解。这不仅仅是现在发生的事情,而是当这些探测器上线后,发现宇宙将会变得多么丰富。LIGO很棒,但是当所有这些探测器都上线后,时期就会变得超级棒。

图片来源:R.赫特-加州理工学院/喷气推进实验室。

ES:引力波天文台的升级还没有完成。你们计划什么时候完成升级?升级过后它会比现在敏感多少?

DR:我们对敏感度有一个以函数频率为准的科学设计目标。从某种程度上说,在不同的频率空间上,我们大多数时候离设计目标大约有三分之一的距离。我们有一个叫双中子星旋进范围的度量标准,在这个范围内我们可以看到中子星的双星合并,这个范围也是我们现在主要进行操作的范围,也就是70-80Mpc。我们想要达到200Mpc。我认为困难的地方在于使探测器正常工作,在低频率下,我们可能有10-15-20(递进)的影响因素取决于你在哪里,这打开了一个全新的我们可以检测到光谱的黑洞。在达到设计灵敏度方面,可能要推迟到2018,2019或2020年。事实证明,大自然是非常仁慈的,宇宙中似乎有很多这样的黑洞,我们足够幸运地看到了一个。

图片来源:Bohn等人,2015年,SXS团队,两个合并的黑洞,以及它们如何改变广义相对论背景时空的外观。

ES:据估计,第一次宣布的事件发生在离我们13亿光年的地方,LIGO到底可以探测到多远呢?

DR:有了先进的LIGO,对于这些恒星质量的黑洞,我们应该可以看到超过2甚至3吉秒的距离,换句话说,也就是90至100亿光年。对于100,200,或者300个太阳质量的黑洞,这个范围就会再次降低,因为频率越低,灵敏度越低。中子星的频率更高,所以它们也不那么敏感:大约是7亿光年。我们下一步要怎么办?如果我们能让我们的仪器比先进的LIGO灵敏十倍,我们就能看到远十倍的东西。

图片来源:加州理工学院/麻省理工学院/LIGO实验室,先进LIGO的搜索范围。

ES:探索可观测宇宙(大约460亿光年)极限的前景如何?

DR:未来的探测器可以看到比先进LIGO高出十倍的东西,你很可能看到整个宇宙的黑洞,可以看到数十亿光年外中子星的合并,看到第一批恒星形成的地方。我们已经有了建造探测器的计划——至少还需要15年的时间——但是建造下一批探测器的前景很好。我认为未来是光明的。

ES:人们通常不看好激光的精度、激光所通过的真空、冷却设备或者LIGO工作所需要的抗干扰效果。你能告诉我们一些关于这些的情况吗?

DR:LIGO是精密测量和工程领域的佼佼者。以能够做实验来证明你可以测量一个质子直径的极小部分的极限来设计它,让你可以日复一日地做实验,这是另一个层次的努力。干涉仪是由不同的子系统组成的:一个激光器,镜子,分束器,一个放置干涉仪的真空环境,一个感应和控制镜子位置的控制系统,然后是定位激光对齐的角。还有地震隔离系统,因为你必须过滤掉大约1万亿倍的地震噪音,这些噪音既来自地球的自然运动,也来自于人造噪音。

图片来源:公共领域/美国政府,LIGO的工作示意图。由Krzysztof Zajączkowski修改。

让我选择输入单元来谈谈。输入单元基本上是干涉仪各个单元的第一部分,起着非常特殊的作用。我们使用的激光非常稳定,是世界上最稳定的激光。但是你不能只是把激光放入干涉仪,因为激光束的大小不合适,它仍然又太多噪音——每个人都认为激光是你能得到的最纯粹的光,但它并不是。激光有不同的纯度,要做干涉测量,测量10^-18/10^-19米的位移,我们需要做进一步的提纯。我们还必须改变激光的特性,把所谓的“侧带”放上去,所以我们不是用一个单色激光,我们有稍微不同的颜色,用检测灯来读出一些镜子的位置。你必须把光束从铅笔的厚度放大到6-7厘米,然后在它的中心有一个叫做模清洁器的东西,它使光在频率、振幅和控制角度波动的“指向”方面更加稳定。输入单元做所有这些事情。它不是干涉仪中最性感的子系统之一,但它是干涉仪中最复杂的部分,因为它与干涉仪的其他部分相连接。这是佛罗里达大学所做的贡献,而且效果非常好。

ES:有很多事情可以使引力波在高频率的LIGO有反应:黑洞-黑洞合并,中子星-黑洞合并,中子星-中子星合并,超新星和伽马射线爆发。但是,除了黑洞-黑洞合并之外,还有其他的可能以预期振幅被观测到吗?

DR:当然黑洞-中子星源是我们真正希望看到的。到目前为止还没有观测支持,即使它被认为是伽马暴的一个候选源,就像双星合并一样。它们的比例是高度无约束的,这意味着在我们看见一两个之前,我们真的不知道。超新星是一个非常有趣的例子。当LIGO在20世纪70年代末和80年代首次被构想出来的时候,超新星被认为是引力波的一个非常好的来源。但是,当人们开始更好地模拟超新星以及理解核坍塌和随之而来的冲击波和外层爆炸时,他们变成了很糟糕的辐射体。所以即使借助先进的LIGO,甚至是下一代探测器,我们都可能不太会在我们的星系之外探测到超新星。

这是一位艺术家对两颗相互环绕的恒星的印象,它们从左到右逐渐合并成引力波。这可能是短周期伽马射线爆发的起源。图片来源:NASA /戈达德宇航中心/ T. Strohmayer。

ES:有没有什么意料之外的惊喜是LIGO可能发现的?或者会不会看到任何我们没有样本的东西?

DR:另一个有意思的来源——如果我们看见的话,它会很酷,但它是一个更难看到的来源——我们搜索独立的中子星,脉冲星的引力波。如果有一种机制打破了球形,产生了依赖于时间的四极质量矩(例如,地壳变形,中子星的椭圆形状,等等),它就会以这种方式旋转,当它绕轴旋转时就会产生抖动。这些应力波非常微弱,但是它们的优势在于它们是单色的,因为中子星是精确计时的。我们成年累月地搜索它们,我们只是不断的随时间推移进行整合。如果有一个信号突然出现在背景上,最终,如果你整合的时间足够长,我们就可以看到它。看到这样的东西十分让人激动,因为你可以说引力波对一个孤立的中子星或者脉冲星的旋转减速都有作用。

中子星表面发生的星震,是脉冲星“电磁脉冲”的原因之一。图片来源:NASA。

ES:那么,如果我们的星系中出现了脉冲星发出电磁脉冲,LIGO会探测到吗?

DR:我们当然可以探测到!它必须很接近,而且它必须是一个相当大的脉冲,但是我们实际上就在探索这些。脉冲是一种突发性事件,所有的能量在一瞬间同时释放,而不是像上面说的例子那样,一个小信号被长时间的集成整合。脉冲星可能会在几十亿年的时间里旋转下降,变换速度会很慢,所以这些搜索是很困难的。关于一颗脉冲星,好消息是我们有来自脉冲星的定时无线电信号:我们知道脉冲星自旋频率,引力波频率以及它们在天空中的位置。我们有一个更窄的参数空间,所以我们知道我们在找什么。我认为先进的激光干涉引力波是很有希望的,但你永远不知道,这就是我们不断探索的原因。

ES:我们的朋友兼同事史蒂夫·德特维勒(Steve Detweiler),上个月突发心脏病去世了。你有什么想要分享的关于他的重要作用,或者他对数值相对论的影响,特别是对LIGO ?

DR:这很让人难过,非常突然。史蒂夫为另一种类型的脉冲星定时引力波探测写了一篇开创性的论文。他总是有些怀疑LIGO,我在走廊看到他,他会问:“哦,LIGO怎么样了?”我会回答:“哦,它一切正常!”他会说:“你什么时候才能探测到引力波?”我说:“哦,大概5年吧,”然后他会说:“是的,每个人都这么说了20-30年了!” 我最后一次见到他是五年前,我说:“这次是五年,不会再长了。”

图片来源:大卫·钱皮恩,他举例说明当时空被引力波扰动时,一个定时阵列中多少颗脉冲星的引力波信号可以被监测到。

但他的理论是,你可以用射电天文学探测到脉冲星定时产生的引力波。你需要的不是几天或几周,而是几年,甚至是5-10年。如果你有足够多的脉冲星分布在天空的各个点上,你应该能够看到这些脉冲星在定时脉冲上的不同。从它们定时脉冲上的差异,你可以推断出在极低频引力波下的引力波背景的存在:在纳赫兹范围内。这是一个正在进行的实验。有很多这样的实验一起进行着,美国的NANOGrav合作,欧洲的一个叫做欧洲脉冲星计时阵列,和澳大利亚的一个叫做帕克斯脉冲星计时阵列,它们都共享数据并一起工作。它们可能即将发现这些低频波,而它们使用的方法是由Steve Detweiler首先提出的,所以在某种程度上,我认为Steve是真正的先驱者。史蒂夫对这个领域做出了重大贡献。

LIGO的灵敏度作为时间的函数,与设计的灵敏度和先进LIGO的设计相比较。这些“尖峰”来自各种各样的噪音。图片来源:Amber Stuver,Living LIGO

ES:除了进入太空,通过实验提高我们对引力波敏感度的前景怎样?

DR:我们在设计新的地面引力波探测器时,考虑的很多都是关于如何抑制低频噪音:来自地球的噪音。很难想象如何建造一个精度在1Hz以下的地球探测器。地球的运动影响了你,但也有重力梯度噪声,这种噪声也被称为牛顿噪声。任何时候只要有一个物体在移动,它就改变了局部引力场。比如大气在运动,地球在运动因为有表面波通过,人们在开车,诸如此类的事情。重力的问题是没有办法避开它;重力贯穿一切。为了尽量打败这种牛顿噪声,你必须用地震检波器之类的东西来测量移动的物体,并把它考虑进去。我认为我们可以考虑需要什么样的监控网络来消除这些噪音,并且……这会是一个挑战。如果你想要低于1hz,你真的需要考虑进入太空。

艺术家对eLISA的印象。图片来源:AEI / MM / exozet。

ES:鉴于目前LIGO的成功,你对未来引力波天文学最大的希望是什么?

DR:哦!我认为这都是关于宇宙学的。我想你会想要一个更大更好的LISA。我认为,如果NASA和ESA可以通过一些途径联合起来,并获得NASA的一些非常重要的贡献,你就可以想象用引力波的遥远阶梯来研究宇宙学的任务。引力波有一个特性,它们与探测器的基线成比例——如果你把探测器放大10倍,它的灵敏度就会提高10倍——如果你用40公里地面探测器武器而不是LIGO 四公里的探测范围,你就可以开始做实验,你就你可以开始看到了足够远的宇宙,之后你也许可以开始测量宇宙学参数,比如w,暗能量的状态方程。我认为最终,你会想看到宇宙引力波的背景。我想有很多实验都在考虑如何在不同的频段观察,并瞥见原始引力波的背景。我认为那将是革命性的,因为那将是你第一次瞥见我们宇宙最初的瞬间。

图片来源:美国国家科学基金会(NASA, JPL,凯克基金会,摩尔基金会等相关组织)资助的BICEP2项目。

ES:如果我们能看到它,因为膨胀产生的引力波是由固有的量子过程产生的,这将是一个“确凿的证据”,表明引力是固有的量子力,而且一定存在一个真正的量子引力理论。

DR:没错!就是这样的!你说得很好,这样表达很贴切。

ES:就你个人而言,现在LIGO终于探测到了它的第一个引力波事件,你可以从中看到什么?

DR:继续改进我们的探测器,看到更多这样的东西。我认为这才是现在最重要的:为了证明LIGO可以实现它的承诺,要用这种新的工具,这种新的探测器来观测宇宙,开始不仅仅要看到我们期望看到的东西,更要看到我们没有预料到的东西。我认为对我而言,答案很明显:我要继续做我的工作,让引力波探测器更好地工作,甚至让它们超越目前的灵敏状态,并且开始更近地与天文学家进行合作,一起来做这样多种信息来源的天文学工作。

图片来源:M. Possel /Einstein Online。

ES:最后,对于那些可能对引力波物理学感兴趣,却不具备专业知识的大众,你想和她们分享些什么信息呢?

DR:有一些东西我想分享。其中一个是基础科学的美和对宇宙的理解。即使引力波是很深奥的一个非常复杂的称为广义相对论都数学理论的一个特性,但这也恰好特别好地解释了引力的工作方式,即使不了解细节,我认为人们能够理解的是,使用引力波作为使者,我们可以理解宇宙中很多最有意思的现象。观察两个黑洞的碰撞是你没有预料能够观察到它们的事,在一般意义上,以任何其他方式都无法观测。所以我认为这其中有一个令人兴奋的事情,那就是利用引力波,我们将更多地了解宇宙,以及它是多么令人敬畏。

基普·索恩(Kip Thorne)、罗恩·德莱弗(Ron Drever)和LIGO的首任负责人罗比·沃格特(Robbie Vogt)。图片来源:加州理工学院档案馆。

我认为另一个我想要分享的是我们开发的工具,我想说有几个人值得赞扬,麻省理工学院的雷尼尔山·韦斯,它是第一个人提出用干涉仪探测引力波这一构想的人之一;基普·索恩,他很有远见,意识到这可能成为天文学的一个新领域,并且他寻找那些对建造这种探测器感兴趣的人;罗恩·德莱弗在制造干涉仪方面也做出了很多开创性的贡献——他们发明了一种在技术上非常了不起的工具。它已经达到了我们能够做出这些令人难以置信的微小位移测量的程度,并且它还可以由此推断出一些关于遥远的宇宙和黑洞的性质。当你从测量的角度来看,它测量一小部分原子核的位移是相当精确的,从这一角度来看,这就是你要看到黑洞这些东西需要做的事,以及你需要发展的技术,这也是令人惊叹的。对我来说,作为一个科学家,这真是一件让我兴奋的事。

作者: Starts With A Bang

FY: _Kyou

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