“量子壓縮”升級LIGO 每周都能發現新引力波

2019年12月10日08:50  來源:科技日報
 

2015年9月,位於美國的激光干涉重力波觀測儀(LIGO)首次探測到引力波,驗証了愛因斯坦提出的“百年猜想”,人類天文學開啟了“引力波時代”。

日前,來自麻省理工學院、加州理工學院、澳大利亞國立大學的聯合團隊在《物理評論快報》撰文披露,他們為LIGO安裝了名為“量子真空壓縮器”的神秘武器,使其探測能力顯著提升。據麻省理工學院官方報道,今年4月以來,在該設備的“加成”下,LIGO已經數十次捕獲引力波信號。

量子噪聲干擾LIGO測量

LIGO使用“L”型的探測器來感知引力波。每個探測器由兩個2.5英裡(約4公裡)長、相互垂直的“長臂”——真空管組成。光源發射一束激光,經過分光鏡后分成兩半,各自進入一條長臂,並通過其末端的反射鏡反射后原路返回。

根據激光干涉原理,這兩束同時返回的激光將相互抵消,探測器接收不到信號。但當引力波撞擊地球時,它會扭曲時空——短暫地使LIGO“一條胳膊長、一條胳膊短”,這種有節奏的拉伸和擠壓變形一直持續到引力波通過為止。此時,兩束激光無法同時返回,不會相互抵消,探測器將接收到返回的閃光信號。

但是,“理想很豐滿,現實很骨感”。正如麻省理工學院研究生、論文主要作者瑪吉·謝所說,激光並非連續的光流,而是由單個光子組成的嘈雜列隊,每個光子都受到真空波動的影響。光子平均“准時”到達探測器,但有些很早,有些很晚,形成一條有一定寬度的“鐘形曲線”。

當引力波經過時,LIGO手臂的長度變化不到質子寬度的萬分之一。探測系統要足夠敏感才能准確測量激光信號,這導致部分未准時到達的光子也會造成閃光,產生假的引力波信號,這就是所謂的“量子噪聲”。

為了避免“報假警”,LIGO設定隻有手臂長度變化超出量子噪聲范圍才判斷為引力波到來,這無疑限制了它對距離更遠、強度更弱的引力波探測。

量子壓縮減小量子噪聲

量子壓縮是20世紀80年代提出的概念,其基本思想是量子真空噪聲可以表示為沿相位和振幅兩個主軸的不確定性球。這個球體就像一個應力球,可以被壓縮。假如沿相位軸收縮球體,相位狀態的不確定性,也就是光子到達時間的不確定性將減小,但振幅狀態的不確定性,也就是光子到達數量的不確定性將增加。

由於時間不確定性是LIGO量子噪聲的主要影響因素,所以,沿相位方向壓縮可以使探測器對引力波更加敏感。麻省理工學院的研究團隊從15年前就開始設計“量子真空壓縮器”,以揭示更微弱、更遙遠的引力波信號。2010年,早期的壓縮器在位於漢福德的探測器上進行測試,取得了一定的效果。

之后,研究人員逐步改進“量子真空壓縮器”。其核心是一個光學參量振蕩器,它是一個蝴蝶結形狀的裝置,中心是一小塊晶體,四周由反射鏡包圍。激光通過晶體原子時,其光子的振幅和相位將重新排列,以達到“壓縮”真空,減小光子到達時間波動的目的。

安裝“量子真空壓縮器”后,LIGO的探測距離延長15%、超過4億光年,引力波的發現速度有望提高50%,達到每周都可能發現新引力波的階段。LIGO的“同事”、位於意大利的“處女座”(Virgo)引力波探測器也已經安裝類似設備,探測距離提高5%—8%,引力波發現速度增加16%—26%。此外,壓縮器有助於精確定位引力波源的位置,方便天文學家進行后續觀測。

麻省理工學院卡弗裡天體物理學與空間研究所首席科學家麗莎·巴索蒂透露,由於此次改進,LIGO的下一次升級可以將引力波探測速度提高5倍以上。

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(責編:趙春曉、呂騫)

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