从2015年9月至今,“引力波之发现”的消息像一只调皮的幽灵,以形形色色的版本穿梭于天文和物理学界,它时隐时现,像剂量不断增强的兴奋剂,一次次激起人们的窥探欲。
在北京时间2月11日晚11点30分,美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布,LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合,科学家直接探测到了引力波!
五花八门的引力波探测器中,为什么是LIGO笑到了最后?
引力波探测器哪家强
爱因斯坦1916年就提出引力波这茬儿了,到上世纪六十年代左右,就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样:
一个大铝筒。基本原理是,如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致,会引起它的收缩—拉伸。旁边的人叫乔·韦伯(Joe Weber),公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布,用这台机器测到了引力波。
但是同行重复他的实验,没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。
这次测到的引力波的振幅是10-21。很明显,用越大的数字去乘这个10-21,会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小,显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4km,内部更是让光路反射了400次,激光光路长度达到1600km,这么大的数去乘那个10-21,才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器,显然不可能有什么结果。
后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。
其基本原理是,把引力波扫过导致的长度变化,转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”,不用什么别的工具,我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹,直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强,判断激光臂长的极微弱变化。
同样的原理,放到天上,能得到更长的臂长:长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划,中国也提出了“天琴计划”,都是打算发射空间卫星,组成干涉仪网络,进行长距离的干涉测量。
更长的臂长就只能靠天上本来就有的东西了:脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动,而微波背景辐射里,据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。
波速不变的话,波长与频率成反比。臂长越长,对越长的波长更敏感,也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射,它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号,彼此互为补充,不能相互替代。
其中,LIGO这种几公里基线的激光干涉仪,对频率约为100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。这种双星并合事件的引力波最有独特特征,最容易识别,因此不难理解,是LIGO抢先探测到了引力波。
而LISA、“天琴”就要低频一些了,它们对频率为约为10-2到10-4左右的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星,以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。