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从脉冲星计时阵列到桌面探测器,四种新工具全力“捕捉”引力波|科技创新世界潮

2024-07-02 18:18:39 来源: 科技日报 作者: 刘霞


两个“共舞”黑洞产生的引力波的频率越来越高。图片来源:美国国家航空航天局

科技日报记者 刘霞

引力波也被称为“时空的涟漪”。1916年,爱因斯坦基于广义相对论做出预言,剧烈的天体活动会带动周围的时空一起波动,这就是引力波。约100年后,2015年9月,宇宙中一次仅持续五分之一秒的“涟漪”改写了物理学的篇章,科学家首次直接探测到引力波。此后,包括美国激光干涉仪引力波天文台和欧洲“处女座”引力波探测器等在内的设施,相继探测到100多起引力波事件。但物理学家认为,这只是“冰山一角”。

英国《自然》杂志网站在6月27日的报道中指出,物理学家正在筹建新天文台,开发新实验和技术,以发现目前方法无法检测到的引力波。他们期待能够发现由完全不同的宇宙现象,包括超大质量黑洞甚至宇宙大爆炸本身产生的引力波,从而进一步揭示宇宙的奥秘。

脉冲星计时阵列:捕捉持续十年的引力波

脉冲星是高度磁化且快速旋转的中子星,每秒可以旋转数千次。理想情况下,脉冲信号应该间隔相等,但如果引力波对时空造成了微小扰动,脉冲星和地球的距离会发生微小变化,探测这些微小变化有助发现引力波。

对脉冲星集合或阵列进行观测的脉冲星计时阵列(PTA)应该能够检测到频率仅为纳赫兹的引力波引起的变化,此类引力波可能由超大质量黑洞对产生。这种引力波的连续波峰需要数十年才能通过地球上的特定位置,这意味着需要数十年观测才能发现它们。

2023年,PTA技术结出硕果。北美纳赫兹引力波天文台、欧洲脉冲星计时阵列、中国脉冲星计时阵列、澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵列等合作团队分别发表了4篇论文,报道了背景引力波的存在证据。在宇宙尺度上均匀分布的、大量独立且不可分辨的波源辐射的引力波叠加起来,就会形成随机背景引力波。

美国耶鲁大学天体物理学家基娅拉·明加雷利表示,纳赫兹背景引力波可以让人们窥视更早期的宇宙。

微波望远镜:发现源于宇宙大爆炸的引力波

宇宙微波背景辐射(CMB)被称为宇宙大爆炸的“余晖”。位于智利北部阿塔卡马沙漠海拔5300米处的西蒙斯天文台即将竣工,其能以更精致的细节,为CMB绘制“肖像画”。美国普林斯顿大学宇宙学家乔·邓克利称,该天文台将提供迄今对CMB最好的观测,并寻找源于宇宙大爆炸的引力波痕迹,从而揭示宇宙暴胀的秘密。

暴胀指宇宙指数级的快速膨胀。尽管暴胀是目前广泛接受的宇宙学理论基石,但目前还没有证据证明这一点,CMB极化漩涡中的特定“B模式”将是确凿证据,这一模式可能是引力波通过时留下的印记。理论上,这种引力波应该由宇宙暴胀产生。

美国约翰斯·霍普金斯大学理论天体物理学家马克·卡米诺维斯基表示,暴胀理论预测了B模式的存在,如果该模型成立,西蒙斯天文台应能找到它。

原子干涉仪:专捉特定频率引力波

许多项目致力于探测较低频的引力波,但很少有设施探测略低于1赫兹的引力波。

但新兴的原子干涉仪技术或有希望完成这一任务。原子干涉仪是一种垂直的高真空管,原子可以在其中释放并在重力作用下下落,在此期间,物理学家用激光“挑动”原子,使其在激发态和基态之间切换。

美国斯坦福大学物理学家贾森·霍根表示,将两组或多组原子置于同一垂直管道内不同高度,并测量激光脉冲从一组原子传播到下一组原子所需的时间,引力波的通过将导致光在它们之间传播的时间稍微减少或稍微增加。

斯坦福大学开发了落差为10米的原子干涉仪,也有其他小组计划建造100米高度的原子干涉仪,其中MAGIS-100已经在费米国家加速器实验室的竖井中建设,计划于2027年完工。

台式探测器:小块头有大智慧

也有科学家正在探索用更小更便宜的探测器探测引力波,包括桌面探测器。

美国西北大学研制的悬浮传感探测器(LSD)让激光在相距仅1米的成对镜子之间反射,旨在通过共振来探测频率约100千赫兹的引力波。

英国南安普顿大学物理学家伊维特·富恩特斯提出了一种制造更小的共振探测器的想法。她计划利用玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的奇异物质状态中的声波,如果引力波以与声波共振的频率通过,其就可以被探测到。不过,这个过程可能需要重复数月才能成功。

理论上来说,基于BEC的探测器可以探测到1兆赫兹或更高频率的引力波。这些高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右发生的奇异物理现象。

责任编辑: 左常睿
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