引力波是怎么被探测的

By admin in 天文台 on 2019年2月2日

前年诺Bell物艺术学奖,颁发给了美利坚同盟国地法学家外斯(Rainer Weiss),
Barrie什(Barry Clark Barish) 和 索恩(Kip 斯蒂芬 Thorne), 以表彰他俩为LIGO
探测器建设以及引力波探测所作出的进献。

蹭点热度,介绍下LIGO测量引力波的措施。

小编从事IT工作连年,当年老师教的知识也还的几近了。
讲的不规范的地点,我们海涵。

引力波

依照爱因斯坦的广义相对论, 引力场是时空中的曲率。
质量在时空中活动,引起了曲率的变化。那种变化会以光速向外扩散,那种时空波动的涟漪就是动力波。

并不是装有的移位都会暴发动力波,必须是非对称的移动导致了四极矩随时间变更才能生出引力波。举个例子,要是你转一只铅笔。假诺顺着铅笔芯转,就不会生出引力波。但在指尖举办转笔。就会滋生引力波动了。

当引力波经过地球的时候,大家任曾几何时空,当然也席卷持有的物体,每个人都被拉伸,压缩;再拉伸,再压缩。

此时,空间中的七个物体的距离会暴发变化。但五个物体之间的离开变化不必要别的的成效力。变化的是空间本身!

设想图,引力波通过地球时,地球被“压”变形

为此,只要大家见到几个物体之间的距离变化了,
并且在这么些历程中物体并从未受力,大家就知晓是动力波来了。

天文台,引力波的探测原理

引力波的探测有多少个难题:

  • 探测多少个物体的偏离,
    大家不可能用普通的尺子。因为,引力波通过时候,空间中全体物体都会变形,一般的尺子也会变形,拿尺子量是心有余而力不足测量出物体之间离开变化的。

  • 引力波强度和扩散距离成反比,导致宇宙深处传来的动力波引起空间应变很小。
    二〇一五年十月LIGO检测到的引力波应变也唯有10-21 .
    也就是说1米的实体,只会被减去或拉伸10-21米。 与此比较,
    一个人质的点和半径大概是10-15米。检测如此之小的形变,大概是天方夜谭

解决那四个难点,需求运用到Michelson光干涉仪。 他的基本原理如下图。

Michelson光干涉仪光路图

光源发出激光,通过分束器,分别把相关光射向多个平面镜。光到达平面镜后,经过反射再回来到光学分束器合并之后,在检测器上表现了相关图像。

光在干涉仪中有几个光路,一个度过光程A,另一个度过光程B。光程差是光波长的整倍时,就会晤世相长的干预图像。假设是光程差是光波长的0.5
1.5 2.5倍时,就会出现相消的过问图像。
只须要考察相干图像的明暗变化,就明白平面镜和分束器的距离出现转移了。

对于眼前提到的三个难点

  • 光速是最主旨的宇宙常量,具有不变性,光波长不会随着空间的变形而变形。
    所以引力波经过地到球的时候,平面镜到分束器的相距变了。由于光程A和光程B是笔直方向,四个样子转变幅度分裂等,而光波长不变,我们就能观望相关图像的明暗变化了。
  • 是因为引力波的转变太小,实际上光程A与B之间的光程差变化也很小。真实的干涉仪的干预臂要求修的很长,并且让光在干预臂反复折返才能一起丰盛的光程差。

LIGO , 不是乐高 (LEGO) 🙂

激光干涉动力波天文台(爱沙尼亚语:Laser Interferometer Gravitational-Wave
Observatory,缩写:LIGO)是一个超大规模的激光干涉仪。

  • LEGO 有七个4KM 的过问臂
  • 为了升高精度,LEGO让光在干预臂里跑280圈,才开展统一干涉
  • 为了多少的准头,确认距离变化是引力波而不是其他干扰,如地震,引起的。一共建立了八个一摸一样的LIGO,一个在美利坚合营国的东南角,一个在美利哥的西南角落。唯有三个实验室,在距离7ms(引力波在多个LIGO之间传播的年月)里看到一模一样的测试结果,才好不不难有效的。

五个LEGO 一个在华盛顿,一个在路易斯安这

谷歌 maps上看出的三个四海里的干预臂

再来张实景

LIGO“听”到了何等

  • 多个LIGO在岁月距离7ms,发现了一摸一样的震撼波形。
    震动频率在8个往返从35Hz扩充到250Hz.
  • 据数学家分析(我是一点一滴不懂), 那是13亿光年外,也就是13亿年在此此前。
    五个质量分别为36倍太阳品质和24倍太阳质量的黑洞合并放出的。由于黑洞的引力场如此强大,合并中回落的3.05倍太阳质量的能量无法由电磁波传出,大致任何以引力波形式传播。传了13亿年,传到了地球!
  • 黑洞合并之后,新的黑洞本身再怎么旋转,
    四极矩不再剧烈变化(就如前边提到的铅笔沿着自己的笔芯旋转),重力波也就烟消云散了。

多个黑洞彼此绕着旋转,越转越快,最终合并了

参考文献

  1. Wikipedia :
    激光干涉引力波天文台
  2. Youtube: The Absurdity of Detecting Gravitational Waves,
    强烈推荐去看

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