“量子紧缩”进级LIGO,有看每周发现新引力波

     时间:2019-12-09 20:32  

    “量子紧缩”进级LIGO,有看每周发现新引力波

    研究职员安装“量子真空紧缩器”。图片来历:麻省理工学院官网

    科技日报记者 胡定坤

    2015年9月,位于美国的激光干与重力波不雅测仪(LIGO)初次探测到引力波,验证了爱因斯坦提出的“百年料想”,人类天文学开启了“引力波时期”。

    日前,来自麻省理工学院、加州理工学院、澳年夜利亚国立年夜学的结合团队在《物理评论快报》撰文表露,他们为LIGO安装了名为“量子真空紧缩器”的神秘兵器,使其探测能力明显晋升。据麻省理工学院官方报导,本年4月以来,在该装备的“加成”下,LIGO已数十次捕捉引力波旌旗灯号。

    量子噪声干扰LIGO丈量

    LIGO利用“L”型的探测器来感知引力波。每一个探测器由两个2.5英里(约4千米)长、彼此垂直的“长臂”——真空管构成。光源发射一束激光,颠末分光镜后分成两半,各自进进一条长臂,并经由过程其结尾的反射镜反射后原路返回。

    按照激光干与道理,这两束同时返回的激光将彼此抵消,探测器领受不到旌旗灯号。但当引力波撞击地球时,它会扭曲时空——短暂地使LIGO“一条胳膊长、一条胳膊短”,这类有节拍的拉伸和挤压变形一向延续到引力波经由过程为止。此时,两束激光没法同时返回,不会彼此抵消,探测器将领受到返回的闪光旌旗灯号。

    可是,“抱负很饱满,实际很骨感”。正如麻省理工学院研究生、论文首要作者玛吉·谢所说,激光并不是持续的光流,而是由单个光子构成的喧闹排队,每一个光子都遭到真空波动的影响。光子均匀“准时”达到探测器,但有些很早,有些很晚,构成一条有必然宽度的“钟形曲线”。

    当引力波颠末时,LIGO手臂的长度转变不到质子宽度的万分之一。探测系统要足够敏感才能精确丈量激光旌旗灯号,这致使部门未准时达到的光子也会造成闪光,发生假的引力波旌旗灯号,这就是所谓的“量子噪声”。

    为了不“报假警”,LIGO设定只有手臂长度转变超越量子噪声规模才判定为引力波到来,这无疑限制了它对间隔更远、强度更弱的引力波探测。

    量子紧缩减小量子噪声

    量子紧缩是20世纪80年月提出的概念,其根基思惟是量子真空噪声可以暗示为沿相位和振幅两个主轴的不肯定性球。这个球体就像一个应力球,可以被紧缩。假设沿相位轴缩短球体,相位状况的不肯定性,也就是光子达到时候的不肯定性将减小,但振幅状况的不肯定性,也就是光子达到数目的不肯定性将增添。

    因为时候不肯定性是LIGO量子噪声的首要影响身分,所以,沿相位标的目的紧缩可使探测器对引力波加倍敏感。麻省理工学院的研究团队从15年前就起头设计“量子真空紧缩器”,以揭露更微弱、更远远的引力波旌旗灯号。2010年,初期的紧缩器在位于汉福德的探测器长进行测试,获得了必然的结果。

    以后,研究职员慢慢改良“量子真空紧缩器”。其焦点是一个光学参量振荡器,它是一个胡蝶结外形的装配,中间是一小块晶体,周围由反射镜包抄。激光经由过程晶体原子时,其光子的振幅和相位将从头摆列,以到达“紧缩”真空,减小光子达到时候波动的目标。

    安装“量子真空紧缩器”后,LIGO的探测间隔耽误15%、跨越4亿光年,引力波的发现速度有看进步50%,到达每周都可能发现新引力波的阶段。LIGO的“同事”、位于意年夜利的“童贞座”(Virgo)引力波探测器也已安装近似装备,探测间隔进步5%—8%,引力波发现速度增添16%—26%。另外,紧缩器有助于切确定位引力波源的位置,便利天文学家进行后续不雅测。

    麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所首席科学家丽莎•巴索蒂流露,因为此次改良,LIGO的下一次进级可以将引力波探测速度进步5倍以上。

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