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引力波是如何在LIGO实验室中被捕捉到的

2018-12-08 19:49   来源:未知

  网易科技讯 2月12日消息,引力波是以光速传播的神秘宇宙涟漪。无数实验围绕这个爱因斯坦百年假说展开,其中激光干涉引力波观测站(LIGO)最终检测到了真实存在的引力波。那么,LIGO是如何获取到实验结果以及该结果是否真实可靠呢?引力波是由巨型天体的运动所产生,例如一些致密天体:中子星或者黑洞的碰撞融合。尽管这些天体运动所产生的效应是灾难性的,但是到目前为止它们对地球及人类生活空间的影响是微乎其微的。因此,科学家们为了捕捉并研究到这微弱的波动,建造了一些极度敏感的巨大光学设备,名为“激光干涉”。激光干涉引力波观测站,即LIGO,是由从全球86个研究所来的1000余名专家成员组成,一同分析研究这些精密仪器所探测到的数据。建造LIGO需要两束激光,一些镜子和一个探测器。激光在穿过半透镜后会向两个垂直方向传播,随后碰到反射镜反射回来并重新汇聚。因此两束激光在穿过精确计算安装的反射镜和半透镜后,会汇聚在一起并由于干涉效应而相互抵消。当有引力波穿过时,一个方向的空间便会被拉伸,而与之成一定角度的另一个方向则会被压缩,这会导致镜子发生细微角度的旋转,致使一些镜子间的距离变小,而另一些变大。镜子间距离的改变正是由于引力波经过后,镜子间空间的延伸和压缩所导致的。这好比是池塘中的水波。将漂浮物放置在水面上,当有波浪经过,物体便会在水面上忽沉忽浮。LIGO安置的镜子就如漂浮在引力波中的悬浮物,不过情况要更复杂一些。通过在干涉臂之间往返的激光,探测仪会将镜子间距离的轻微变化记录下来。为了排除一些干扰因素,减少不确定性的误差,LIGO在美国华盛顿州利文斯顿和新泽西州汉福德同时分别安置了两部完全相同的仪器。那么实验是怎样实施的呢?最关键的一部是要“锁定”干涉仪,意思是说,要将镜子之间的距离控制在激光刚好可以在镜子表面产生干涉效应。在1997年,这项任务需要科学家们手动完成,而现在一切都是计算机操作控制。由于镜子的位置和角度会由于温度变化,机器硬件松弛甚至是月球移动而改变,因此对镜子进行调整是每天的工作。科学家和工程师也会定期到现场检查探测仪的情况以及外界物理环境,以防止这些因素导致测量数据的不准确,以减少误差。LIGO在科技方面获得了开创性的突破和成就,尤其是在探测仪方面。每一个探测臂长为4公里,根据地球曲率校正设计建成。探测仪必须要能够不受地表震动的干扰,还要置于真空中,以减少大气和污染物对激光运行的干扰。两台探测仪必须数月不间断的纪录结果并且不遗漏任何一个小数据。如果一部探测仪能够分布在几公里内记录数据,本身就是十分具有开创性的,更何况是要达到精准、无遗漏。LIGO是人类物理工程史上的一个奇迹,其引力波的发现为人类太空研究史树立了一座里程碑。(秦昕)

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