爱因斯坦望远镜之梦 - Android

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在欧洲核子研究中心(CERN)工作的粒子物理学家正在思考要不要建一台100公里长的环形加速器,因为现有的27公里长的加速器已经无法解决该领域遗留的问题了。而天体物理学家则在急切地等待詹姆斯·韦伯望远镜的上线,这是目前为止该类仪器中最昂贵、也最大的一台。

物理学家在一个话题上研究得越久,所需要的测量仪器就越大,这似乎已经成了某种自然法则。

就连在对引力波的搜寻中,科学家对更大、更好的仪器的盼望也再清楚不过。受五年前首次观察到时空涟漪存在的证据所启发,研究人员如今正在筹划一项野心勃勃的太空计划,名叫激光干涉太空天线(LISA),将于2034年发射进入太空。而与此同时,他们还准备在地面上修建一系列新一代测量仪器。与这些仪器相比,LIGO天文台两台4公里长的激光干涉仪将显得相形见绌。

引力波是细小的时空涟漪,最早由爱因斯坦在1915年的广义相对论中提出预测,并在2015年首次被人类证实。每当太空中某处有大质量物体加速移动时,如两个黑洞相撞时,就会形成时空的振荡。这个过程中释放的振荡会以光速向四面八方传播开去,畅通无阻地渗透到整个宇宙的各个角落。在地球上,引力波可以用激光干涉仪进行探测。干涉仪系统由两条隧道构成,每条长三至四公里,排成一个“L”型,激光束可以在其中来回反弹。如果有引力波击中其中一条隧道,该隧道的长度就会以极小的幅度发生压缩,导致在该隧道中传播的激光束抵达末端的时间略短了一些。

而欧洲也想打造这样一台梦想中的探测器,称其为“爱因斯坦望远镜”,简称为“ET”。据悉,它将由三条10公里长的探测臂构成,在地下组成一个巨大的三角形。选址可能包括地中海中的撒丁岛、以及由荷兰、比利时和德国三国边境构成的三角形等等。

  10亿光年之外

体积如此巨大,并且位于地表下方200至300公里处,这台探测器对引力波的敏感度应当更甚于现有的探测器。爱因斯坦望远镜团队在该项目官网上指出,该望远镜应当能探测到强度只有美国LIGO和意大利VIRGO探测能力十分之一的引力波。

莱布尼兹大学爱因斯坦望远镜指导小组联合主席哈拉德·卢克指出,这能让我们在太空中看得更深更远。目前,地面上的引力波观测站探测到的信号主要来自10亿光年之外。但科学家认为,从某种意义上来说,这在宇宙中仍然只算“邻近地区”,可观测宇宙远比这大得多。

目前探测到的引力波大多源自于黑洞。它们有时会成双成对地在太空中移动,围绕彼此旋转,最终越靠越近。近到一定程度后,它们就会合并成一个质量更大的黑洞。由于在短短时间内,这些质量被急剧加速,因此时空会变得越来越炽热,引力波也会以光速向四面八方扩散开去。

引力波的振幅会随着传播距离的增加而不断减弱。因此,爱因斯坦望远镜这样的探测器可以探测到从宇宙中更远处传来的信号。计算结果显示,研究人员甚至能观察到过去“黑暗时代”、即宇宙中尚无恒星形成时的情形。

爱因斯坦望远镜还将在捕捉到的引力波频率上独辟蹊径。与之前的探测器不同,它将由两套单独的激光干涉仪构成。第一套干涉仪将在超低温下运行,可以捕捉到低频率的引力波;第二套则在室温下运行,可以探测到更高频率的引力波。探测带宽增加了,探测结果想必也会更理想。

  中等质量黑洞

在2至3赫兹的超低频率下,爱因斯坦望远镜将尤为活跃。而现有的探测器是无法捕获如此低频的引力波的。在该频段上,研究人员希望能找到由质量为太阳几百倍的“中等质量黑洞”合并时发出的信号。这样的天体居然真的存在,是近几年令科学家倍感震惊的发现之一。这些黑洞被视为星系中央那些超大质量黑洞的“种子”。目前科学家仍不清楚它们是如何在早期宇宙中形成的。

截至目前,LIGO和VIRGO探测器已经对数十次黑洞合并展开了测量,这些黑洞质量均只有太阳的几十倍。卢克透露,“爱因斯坦望远镜能够记录到10万次、甚至100万次这样的事件,事件发生的时间范围也会很大。这能让我们弄清楚,宇宙起源时的情况是否如同我们所想的那样。”

爱因斯坦望远镜也许甚至能探测到宇宙变得透明前的引力波。目前,人类对早期宇宙的了解主要来自宇宙背景辐射。在宇宙大爆炸发生的38万年后,辐射物质混合物逐渐冷却下来,质子和电子“重组”成了中性氢。不同于带电荷的原子核和其它粒子,中性氢可以让光线从中穿过。因此自宇宙诞生以来、电磁波首次能够畅通无阻地传播到宇宙各处。但引力波早在此之前就可以在宇宙中自由传播了,因此在理想情况下,引力波将能够帮助我们了解宇宙最初38万年期间的情况。

爱因斯坦望远镜还将对中子星展开研究。中子星是恒星死后留下的超致密残骸,直径只有20几公里。它们也可以释放出可探测到的引力波,并且不仅是当它们合并的时候,其余时间也可以。“中子星的旋转速度高达洗衣机滚筒的100倍。”卢克指出。如果中子星的形状并不是完美的球形,旋转时便会产生引力波。

  本世纪30年代开始测量

据研究人员估计,爱因斯坦望远镜的造价约为19亿欧元,比100公里长的粒子加速器便宜得多,据说只有后者的10分之一。卢克和同事们希望,这台新引力波探测器的相关工作最早能于本世纪20年代末开始,并在30年代开始运行。

“它的基础设施将运用新技术不断扩张,应当可以运行50年。”荷兰马斯特里赫特大学的斯蒂芬·希尔德指出。在希尔德的带领下,一支团队正在筹划这座巨型探测设施初期应安装的设备。在马斯特里赫特大学一间旧打印店的仓库里,研究人员正在搭设一台名叫“ET探路者”的小型原型设施,探测臂长20米。“这个长度太短了,无法探测到引力波。”希尔德解释道,“我们只是想测试各种能够提升爱因斯坦望远镜敏感度的技术而已。”

希尔德举了一个例子来说明其中的难度:“要想对引力波进行测量,我们必须能探测到尺度在10-23米上的相对变化。假如一滴雨水落在荷兰最大的湖泊艾瑟尔湖中,水面会上升1019米。而如果落在比它小一半的康斯坦茨湖中,水面则会上升2×10-19米。”

这些数字说明,地球上的任何细微震动都会破坏对引力波的搜寻。毕竟,这样的震动会导致干涉仪的镜面发生位移,从而使光线的传播时长有所改变,就像引力波压缩镜面之间空间造成的效果一样。

对研究人员来说,就连原子的布朗运动也是一个问题。为了减慢镜子表面的热运动,科学家想将部分反射镜的温度降低到零下263摄氏度。不过在这样的低温下,合成玻璃的机械性能会受到破坏,干扰噪声也会有所增加。希尔德的团队想用排列更加齐整的单晶硅解决这个问题。然而,对于常见的近红外激光的波长来说,单晶硅并不透明,因此研究人员打算使用波长稍长一些的纤维激光。

另一个干扰源是所谓的量子噪音。简单来说,这是指光子向镜面的动量转移,会使后者发生微小的移动。为减小镜面的移动,爱因斯坦望远镜将把镜子的重量从40千克增加到200千克。此外,研究人员还会改进镜子的悬挂方式。

就算马斯特里赫特大学的这台原型设施“仅用于”技术测试,“ET探路者”团队也不希望受到任何干扰。“每当刮风时,墙壁受到风的推力,地板也会发生轻微的移动。”希尔顿指出。因此研究人员毫不犹豫地更换了这些地板。新地板由169根柱子支撑,与建筑的其余部分相分离。该团队正在打造一间极度洁净的清洁室,并计划于2021年春季开始测试。

  寻找最佳地点

爱因斯坦望远镜最终将建在何处、展开对引力波的搜寻,目前尚不清楚。但可以肯定的是,它一定会被建在地下。一方面,这是因为在欧洲很难找到一处能容得下一座边长10公里的三角形设施的地区。而另一方面,这是因为在地下深处,人类生活区、工业和交通的震动干扰也会小很多。根据地质学与社会经济学研究,规划者们目前比较倾向于撒丁岛、或者前面提到的荷兰、比利时与德国边境交界处。

对许多德国物理学家来说,后一处地点或许更令他们满意,尽管来得迟了些。假如当初事情的发展有所不同,那么人类首次发现引力波也许就不是在美国、而是在德国了。毕竟在上世纪70年代,是德国研究人员为后续验证引力波的存在奠定了基石。

据当时在马克斯·普朗克量子光学研究所工作的沃尔特·温克勒介绍,他们曾先后在慕尼黑和加兴考察了建造引力波探测仪的可能性。1987年,该团队甚至给时任德国联邦科研部长的海因茨·里森胡贝尔写了一封信,提议修建一台激光干涉仪。该设备设计有三条探测臂,每条长三公里。温克勒还指出,物理学家们曾在1989年与英国科学家展开合作,共同更新了这项提案。

研究人员表示还未得到科研部的任何回应。当然,这台造价3亿德国马克的设备显然是一笔不小的投资,这一项目在当时本身也存在风险。

而美国国家科学基金会则在上世纪90年代承担起了这一风险,并在近30年后首次探测到了引力波,即刻获得了诺贝尔奖。

  地下的问题

“重大的科学项目总会有政治掺杂其中。爱因斯坦望远镜并不一定就会建在德国、荷兰和比利时交界处,也不一定就建在撒丁岛。我们才刚刚向欧洲科研基础设施战略论坛(ESFRI)提交了申请,将这一项目加入论坛路线图中。”卢克透露。这需要德国等各个国家在内的支持。不过,爱因斯坦望远镜项目尚未被加入到德国政府的研究计划中。

研究人员们希望能在五年内定下项目选址。有许多因素需要考虑,比如当地的地震情况、地下土壤的地质组成等等,这些都决定了地下建设的成本。但社会经济因素、比如该项目对涉及地区与国家的经济影响,也会在其中起到一定作用。当然,政治利益、以及涉及国家的经济前景也需要纳入考虑范围之内。

此外,爱因斯坦望远镜的支持者还必须解释清楚建设该项目的必要性。例如,科学家目前不仅在筹备激光干涉太空天线(LISA)项目,还计划修建一台名叫“宇宙探测者”的地面探测仪,包含两条长40公里的地上探测臂,就像爱因斯坦望远镜一样雄心勃勃。

有科学家指出,未来我们的探测器技术会更加先进,尤其是在低频引力波范围内,爱因斯坦望远镜能够进行更加精确的观测,也因此能观察到宇宙更久远的‘黑暗时代’的情形。在理想情况下,如果上述两台仪器都能成功修建,然后在其它地方再建第三台,“就可以非常精确地锁定引力波在太空中的来源了。”在这种情况下,射电望远镜和光学望远镜也可以紧随其后,这样更有利于记录数据和理解事件真相。

 

卢克指出,LISA项目的观测频段与爱因斯坦望远镜不同,介于1至100毫赫兹之间,因此可以接收到其它来源发出的引力波。“例如,它可以探测到超大质量黑洞的合并。由于下一代地面探测器与LISA观测到的过程大相径庭,研究人员认为二者可以互相补充。

LIGO在五年前首次观测到的引力波事件GW150914也是这样一个例子。“假如当时LISA项目已经在太空中运行,我们首次观测到引力波的时间将提前十年。在这种情况下观测到的事件将不是一次大爆炸,而是能显示两个天体逐渐靠近、跳起死亡之舞的过程。对引力波研究人员而言,这一过程就像最终的大爆炸一样令人激动。对他们来说,太空探测器和地面探测器都不可或缺。”

文章

20/11/2020 08:25 AM