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第三代重力波探测器︰测量微中子质量、双星系统、黑洞研究

2019-08-06 17:48 来源于:未知
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史上最牛网导读: 多元信使天文学(Multi-messenger astronomy)结合多个方法(各种电磁辐射、微中子等)来研究同一个天体。 重力波已是多元信使天文学的一员了。 重力波的加入始于3年前的2015年9月14日,
多元信使天文学(Multi-messenger astronomy)结合多个方法(各种电磁辐射、微中子等)来研究同一个天体。重力波已是多元信使天文学的一员了。

重力波的加入始于3年前的2015年9月14日,当天欧美两地宣佈侦测到重力波,成为全球一时佳话。其后的2017 年 8 月 17 日,两颗中子星结合时发出的重力波亦成功被侦测。

当时重力波的侦测警报一发出,世界各地大批天文望远镜立即指向辐射源。这重力波事件催生了数百篇论文,其中一篇的作者人数更多达3,500。时至今天,仍然有射电天文学家紧盯著那辐射源——一切都源于那几圈时空涟漪。

有见及此,研究重力波的科学家开始积极研究更强大的重力波探测器。其中包括爱恩斯坦望远镜(Einstein Telescope,ET)计划

ET计划是一个在2011年提出的欧美合作项目,计划初期美方起了暗涌。当时美方原定由美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)出资,但NSF同时亦有赞助激光干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)。于是,NSF希望待LIGO有观测重力波的实绩才愿意投资NSF。

美国出资较保守,美国主导的宇宙探险家计划(Cosmic Explorer)便不如ET先进。纵然如此,ET和Cosmic Explorer在落成后,预计它们的灵敏度皆至少10倍于现有探测器。

米切里‧潘德罗(Michele Punturo)是意大利国家核子物理学院(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN)高级研究员,他同时是ET计划的科学统筹。潘德罗受访时指出︰「利用较灵敏的重力波探测器,我们不只能观测我们附近的宇宙空间,还可以观测红移值很高的宇宙(即极远的宇宙)。而且我们还可以用重力波去研究一大票以前不可能研究的事情。」

这「一大票以前不可能研究的事」包括了︰
  • 统计合併的黑洞总数目
  • 以另一套方法研究宇宙学和测试广义相对论
  • 统计中子星合併事件的发生频率
  • 估算重元素在宇宙中的生成速率
 
「我们终于能用重力波研究宇宙学了。这是宇宙学的新一页。」潘德罗这样评价。



第三代重力波探测器

从LIGO开始,重力波探测器的本质都是迈克生干涉仪。

它会让两束相干光线走过不同的路径并抵达一个光探测器。当重力波到达地球时,干涉仪中的空间因而被拉伸或被压缩,两条光线路径的长度便随之改变,这两条光线抵达光探测器时的相位差便有所不同。透过侦测此相变,便可知道干涉仪中的空间如何被重力波扭曲。





第三代重力波探测器︰测量微中子质量、双星系统、黑洞研究

 
迈克生干涉仪︰激光光源射出一束激光(以黑色表示),它在分束器(多为半镀银镜面)分裂成两束光,两束光分别以蓝色和橙色表示,这两束光分别经过两条不同的路径并抵达探测器并在探测器处发生干涉。
当重力波经过时,橙色光线的光程便会因空间伸缩而不停改变,并引致两束光的光程差不断改变,使探测器处的干涉类型亦不停改变。科学家由此可知空间沿橙色光线方向的伸缩比率为何。
 
 


哈罗‧陆(Harald Luck)来自马克斯‧普朗克研究所。他和潘得罗早在十多年前就设计出新一代的重力波探测仪。潘德罗指出,在草绘蓝图时,他们始终希望自己笔下的重力波探测仪「能主导相关的技术突破」。


第三代重力波探测器︰测量微中子质量、双星系统、黑洞研究

恩斯坦望远镜。这是欧洲设想的重力波望远镜,它由3个干涉仪组成。该3个10 km长的干涉仪组成一个等边三角形。为减低杂讯影响,它们均埋藏在地底并冷却至10 K(–263℃)左右。
 

最后,他们的团队设计了一个三角形的探测器。
三角形的每条边都有两个重力波干涉仪。

每条边的两个干涉仪中,一个主要用于侦测高频率重力波(可达10,000 Hz),而另一个则用于侦测低频率重力波(2 – 40 Hz)。为了让它们分别在各自的频率范围良好运作,它们有很多细节都大相迳庭——前者温度较高、辐射压较大;而后者则较冷、激光的功率较低。它们的镜子的材质、悬挂镜子的方式和激光的波长也有相异之处。

利用低频率的探测器,科学家可以侦测大质量天体事件——例如数十个至数百个太阳质量的黑洞合併——或者观测强重力场的地方以验证广义相对论。至于高频率的探测器可侦测中子星的合併、超新星爆炸等事件。潘德罗补充道,如把高频率和低频率的探测器合併使用,它更可用于预警伽玛射线暴,这让科学家可在伽玛射线抵达前,先让电磁波望远镜指向伽玛射线暴的源头。

设置三对干涉仪的原因是,科学家可透过对比三组数据来判断某讯号是否杂讯,并推论出重力波的偏振方向。整套配备会被埋藏在地下100米至200米处,以降低环境和地壳活动造成的杂讯。此外,干涉仪会被冷却至10 K以减少热造成的杂讯。这些措施让连不足10 Hz的重力波也能被侦测。

潘德罗计划把这些干涉仪与其他部件一併改良,它将会是全球首个第三代重力波探测仪。

「测量要精准,设备就要複杂。」潘得罗总结︰「世上没有免费午餐。」

在另一边厢的美国,LIGO 将会进行升级工程,使它适用于未来的观测项目。科学家预计工程将于2024年完成,届时它的灵敏度将会加倍。此外还有一系列的改动,包括把光线压缩以减少量子效应在10 Hz至10 kHz讯号之间造成的杂讯;更换平面镜的包层材质以减少热造成的杂讯等。

「除此之外,LIGO的升级项目清单还很长呢。例如改动悬挂平面镜的绳子的粗细、用更大的分束器等等。」佛罗里达大学的大卫‧莱兹(David Reitze)说︰「我们还可以让LIGO的灵敏度加倍。」主要工序包括把旧有的镜替换成以硅黏合的玻璃,并把它冷却至123 K,使它不受热膨胀影响。

身兼INFN的研究员和GWIC干事成员的吉奥凡尼‧卢瑟杜(Giovanni Losurdo)表示,在改善探测器过程中,并没有单一技术问题,反而有多个改善点可以增强整个探测器的灵敏度,例如把它放在地底、製作更佳吸震系统、改用更精良的镜面和涂层、利用更优质的悬吊系统等︰「这计划包含了好多挑战,但我们暂时仍未遇上令人束手无策的难关。」

这些改善工程也可应用于Cosmic Explorer。这些工程再加上干涉仪的长度增加,灵敏度有望增加超过10倍。

Cosmic Explorer走的正是「超级LIGO」路线——它的结构和LIGO类似,由两个成L状的干涉仪组成。而Cosmic Explorer和LIGO的主要分别是,Cosmic Explorer每个干涉仪长40公里,是LIGO的10倍。
第三代重力波探测器︰测量微中子质量、双星系统、黑洞研究
 
「你要在重力波的军备竞赛中胜出,你需要一个很长的干涉仪。」麻省理工大学(MIT)的马修‧伊旺(Matthew Evans)说︰「10倍长意味著10倍灵敏度。」因挖掘隧道的成本高昂,所以美国的科学家宁愿把它建在地面以省点钱来弄更长的干涉仪。然而地球的弧度使干涉仪不能直接置于地面,而应该被抬升或者嵌在壕沟中。
第三代重力波探测器︰测量微中子质量、双星系统、黑洞研究
 
伊旺率领的团队在八月时赢得NSF的资金以开发新世代的重力波探测器。团队中来自5所大学的学者在3年间就筹集了220万美金(折合约6700万新台币或1700万港币)去准备兴建第三代探测器,并参与全球的重力波天文学。

「首先,我们会评估同时利用多个探测器的贡献有多大。」伊旺又解释︰「如果我们已经有ET测量低频率的重力波,那么辅以一两个Cosmic Explorer类型的探测器则比较理想。」

若探测器的位置足够分散,重力波源的位置就较容易精确地测得。因此位于地球另一边的日本的神冈重力波探测器(Kamioka Gravitational Wave Detector)再度启用时,它也会被纳入重力波探测器的网路之中。

稍后,NFS将会更注重于Cosmic Explorer探测器的详细设计。

去年,重力波国际协会(GWIC)成立了专责第三代重力波探测仪的属会。
GWIC的成员包括各地面观测站的代表、脉衝星计时重力波计划的代表、预计在2034年落成的激光干涉太空探测仪(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)的代表。
属会的主席是潘德罗和莱兹,他们致力找寻方法加强国际探测器的技术演进、管理等。
下一代的探测器将花费数以十亿美金。

科学革命

来自宾州大学(Pennsylvania State University)的斑格罗‧赛伯格(Bangalore Sathyaprakash)与卡迪夫大学(Cardiff University)共同主持GWIC科学属会。在2018年年底,他们就要制定好一张将会研究的科学难题的清单,且这些难题要以缓急轻重来排列。

赛伯格指出,重力波观测站的学者们这清单之首是緻密物质态方程︰「当物质被压缩至密度极高,它的物理性质会如何改变?」此外,巨观的重力波似乎与微观的核子物理学风马牛不相及,但赛伯格不这样认为︰「大自然给了我们中子星——巨型原子核。当它们以螺旋形接近对方时,它们会施加潮汐力于对方,这会令它们更快接近对方。它们的结构或多或少可透过重力波分析出来。」

赛伯格又指出,多元信使天文学在微中子和宇宙射线的研究中有所突破已是指日可待的事。他们的蓝图中已经有一些研究项目,包括了︰

  1. 测量微中子质量

    当某天体发出微中子束与重力波,物理学家可透过测量它们抵达的时间差距以获得微中子质量的估算,而这估算方法独立于以前的其他估算方法。若它们的结果吻合,代表了我们有较可靠的微中子质量估算值。

  1. 合併中的双星系统

    重力波可告诉物理学家这双星系统与地球的距离。结合以电磁波测得的红移值,我们可以统计出更精确的哈勃常数,并以此得到更准确的「暗能量︰暗物质︰重子」比率。另一方面,由于红移值亦可透过重力波直接测得,将来的科学家甚至可单独利用重力波来研究宇宙学。

  1. 黑洞普查

    物理学家可能可以透过观测黑洞得知緻密物件如何产生一整个星系——某些星系的中心是超巨型黑洞,它们的质量达100亿个太阳。「我们还不知道它们如何发展成这样。」LISA干涉仪上250万公里长,它应该适用于观测极大的黑洞合併。但若要观测小质量的黑洞合併,「你就需要ET或者Cosmic explorer了。」赛伯格说。

  1. 黑洞的研究

    有名的「黑洞无毛定理」指出,黑洞只具备3个特质︰角动量、质量和电荷。然而,只有微观的黑洞才有可能带电,巨观的黑洞应只有角动量和质量两个参数。因此,天文物理学家估计,黑洞合併时的重力波只与总质量和总角动量有关。「能用重力波测试黑洞无毛理论是一件令人振奋的事。」

  1. 探索其他未知天体

    虫洞、重力真空星是一些曾被提出的概念。虫洞是一条连接不同时空的一条隧道,而重力真空星则是一个类似黑洞但可以解释暗能量的天体。这些天体都未经证实。而未来的重力波探测器可能可以用在探索这些物件。

重力波的可能性太多,因此各地的科学家密锣紧鼓地筹备将来的相关投资。

例如ET计划的下一步就是劝服欧洲研究设施策略委员会批准进一步建设。这申请会在2019年递交,以建构2020年的开发蓝图,蓝图会包括至少三个可能地方︰意大利萨丁尼亚、匈牙利布达佩斯、荷兰—比利时—德国边陲地区。若这计划获批准,ET计划就更容易从其他国家集资。

潘德罗称,他们将在2022年完成选址、在2023年完成工程设计、在2030年ET会投入运作。在2035年左右,Cosmic Explorer也会投入运作。多个探测器落成后,它们联合起来时引起的协合效应让物理学家万分期待。「我们当中很多人都认为若要处理某一指定难度的工作,合作带来的回报是最大的。」GWIC的卢瑟杜(Giovanni Losurdo)说。举个例,LIGO和Virgo起初是竞争对手,其后却合作起来。

发现探测器的协同效应后,GWIC的一个焦点是如何营运下一代的重力波探测器。背后的营运方针多得超乎想像——你可以把那些探测器收归一个像CERN一般坚实稳健的研究机构,也可以让它们组成合作项目并让合作项目组成更大的合作项目等。这些方案统统都纳入议程中。

「我比较倾向中央集权制。」莱兹认为让一众科学家愿意从属在一个庞大组织是难度,但若果成功,「营运成本就更低,你也可以指派人手处理不同问题。中央集权制可保证各项观测已有协调。」GWIC干事会正期待大规模的组织和管理,他们打算在2019年发表这想法。

贝利‧巴拉斯(Barry Barish)是2017年诺贝尔奖物理学奖得主,他的得奖项目正是LIGO的研究。他认为现在最重要的事是把要研究的事排好优次,让科学家们能用有限的钱得到最多成果。

「一套做法是把资金均分成5份并在世界各地建造5个观测站;另一套做法是用尽所有资金来建造单一个最好的观测站。而后者正是欧洲的做法。这两个做法适用于截然不同的研究,这正正就是我们要排好研究项目优次的原因。我们还未遇到物理限制,但我们要小心计划现有设施应如何发展以发掘出最丰硕的研究成果。」
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