在爱因斯坦预言引力波存在的近一个世纪后|看不见摸不着的引力波,LIGO如何捕捉?答案无法想象( 三 )


德怀尔解释说LIGO并不是第一个使用压缩光的引力波干涉仪 。 这项殊荣属于德国萨斯泰特(Sarstedt)的GEO600实验 , 该实验从2011年开始使用压缩光 , 现在仍在常规运行中使用这项技术 。 那里的物理学家发现 , 在特定的频段(约3kHz) , 光的压缩可以将量子噪声降低三分之一 , 使设备在该频段内的引力波探测速度提高(3/2)^3倍(约为3.4倍) 。 对于LIGO来说 , 德怀尔在她的博士论文中指出 , 使用压缩光将使探测器的灵敏度提高80% , 从而使探测率提高近6倍 。
在爱因斯坦预言引力波存在的近一个世纪后|看不见摸不着的引力波,LIGO如何捕捉?答案无法想象
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2011年GEO600的新型压缩光激光器(图片来源:马克斯·普朗克引力物理学研究所)
知道要找什么
实验人员专注于升级LIGO的物理组件 , 理论专家们则一直在改进他们对引力波信号的理解 。 为帮助识别经过的引力波 , 数值相对论科学家们计算了几种由最可能的引力波源产生的波形 。 多亏了他们的努力 , LIGO上记录的任何一个信号都可以与约1万个由中子双星系统产生的引力波波型、约10万个由黑洞双星系统产生的引力波波型 , 和约100万个由中子-黑洞双星系统产生的引力波波型相比较 。 最后这个数据比其他的要大 , 是因为黑洞的角动量可以与双星的轨道角动量结合 , 产生更为复杂的波形 。
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这些图显示了由位于利文斯顿和汉福德的两个LIGO探测到的引力波信号 , x轴为时间 , y轴为应变 。 这些信号来自两个正在合并的黑洞 , 每个黑洞的质量都是太阳的30倍 , 位于13亿光年之外 。 上面两个图显示了从两个天文台接收到的数据以及预测波形 , 预测波形根据爱因斯坦广义相对论的方程式得出 , 其中还包含了该仪器一直存在的噪声 。 如图所示 , LIGO的数据与爱因斯坦的预测非常接近 。 最后的图表比较了来自两个探测器的数据 , 正如图中所示 , 两个探测器都目击了同样的事件 , 证实了探测结果 。 (图片来源:LIGOCaltech)
除了建立预期波形的数据库外 , 一些研究人员还一直在开发算法 , 这些算法用于寻找来自其他未知来源的引力波信号 。 纽约雪城大学(SyracuseUniversity)的引力波天文学家邓肯·布朗(DuncanBrown)解释说 , 这种类型的搜索(被称为“突发”搜索)并没有对它所搜寻的波形做任何假设 。 “那样的话 , 当夜晚时分宇宙中发生突发事件时 , LIGO就会感觉到 , ”他补充道 。
天文学家还计算出了aLIGO在接近其设计灵敏度时可能会看到多少事件 。 中子双星系统被认为是最有希望的引力波源 , 研究人员(基于传统望远镜的观测)估计 , aLIGO在运行的第一年最多可以看到三场双星合并——两颗恒星合并形成一个天体的天文现象 。 在第二年 , 随着进一步的技术改进 , 宇宙被观测到的部分将会扩大 , 它可能会看到20场双星合并 , 四年后可能会有200场 。 但它也可能什么也看不见 。 虽然那可能会让人感到意外 , 但还是这样的可能性:尽管进行了升级 , 噪声仍可能会淹没引力波信号;双星合并的发生频率可能比天文学家预想的要低;甚至 , 双星合并结束的强场非线性引力区域 , 已经超出了广义相对论的适用范围 。
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这四张图显示了一个可能的引力波源的位置 , 橙色部分表示了有90%可能性有波源存在的区域 。 这些区域的大小和形状取决于许多因素 , 包括有多少个探测器参与观测以及每个探测器在当时的灵敏度 。