脉冲星适合探测频率约为10-8的引力波,宇宙微波背景辐射更是只能探测约为10-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些,就像是工作在不同的电磁波段一样,共同描绘出完整的引力波的多彩世界。
LIGO的“黑科技”
就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致,就算干涉原理吊炸天,凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化?
大陆板块在移动,大海在拍击着全球的洋底,大气呼号着,整个北美大陆的汽车轰鸣着,蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战……想要把所有这些噪声隔离开,专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动?
这就好比太平洋上台风肆虐时,我在上海的岸边扔了一粒石子,请你在加州海滩上测出它的涟漪。但总的来说我们有这么几个办法。
隔离震动
当你把这招用到极致,就是这样:
左图是升级改造前的LIGO:反射镜仅有25厘米直径,用两根钢丝吊起。而右图中,升级改造后的Advanced-LIGO,使用了远为复杂的机构,和更大、更重的反射镜,来最小化反射镜本身的晃动。
干涉
两束光,峰谷对应,得到的光峰谷分别加强,总光强更强;峰谷错位相消,则最后什么光都没有剩下。
这样,光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。
功率倍增器
激光越强,干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果,LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增,LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射,并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路,形成所谓“能量循环”,满足了LIGO的功率要求。
镜子
纯二氧化硅打造,每300万个光子入射,只有1个会被吸收。一个字,亮。
真空
LIGO的激光臂全部在真空腔内,其真空腔体积在地球上仅次于LHC(欧洲的大型强子对撞机),气压仅为万亿分之一个大气压。
反射
有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境,LIGO才能无所畏惧的让激光在4km臂中反射了400次再进行干涉——这极大地增加了LIGO的有效臂长,让它能以1600km的臂长,探测更低频的信号,并且得到更显著的测量结果。
发布会上,美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”,诚哉。