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“量子压缩”升级LIGO 每周都能发现新引力波

2019-12-26
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2015年9月,坐落美国的激光干与重力波观测仪初次勘探到引力波,验证了爱因斯坦提出的 百年猜测 ,人类天文学敞开了 引力波年代 。

日前,来自麻省理工学院、加州理工学院、澳大利亚国立大学的联合团队在《物理谈论快报》撰文发表,他们为LIGO装置了名为 量子真空紧缩器 的奥秘兵器,使其勘探才干明显进步。据麻省理工学院官方报导,本年4月以来,在该设备的 加成 下,LIGO现已数十次捕获引力波信号。

量子噪声搅扰LIGO丈量

LIGO运用 L 型的勘探器来感知引力波。每个勘探器由两个2.5英里长、彼此笔直的 长臂 真空管组成。光源发射一束激光,经过分光镜后分红两半,各自进入一条长臂,并经过其结尾的反射镜反射后原路回来。

依据激光干与原理,这两束一起回来的激光将彼此抵消,勘探器接纳不到信号。但当引力波碰击地球时,它会歪曲时空 时刻短地使LIGO 一条臂膀长、一条臂膀短 ,这种有节奏的拉伸和揉捏变形一向继续到引力波经过停止。此刻,两束激光无法一起回来,不会彼此抵消,勘探器将接纳到回来的亮光信号。

可是, 抱负很饱满,实际很骨感 。正如麻省理工学院研讨生、论文首要作者玛吉 谢所说,激光并非接连的光流,而是由单个光子组成的喧闹列队,每个光子都受到真空动摇的影响。光子均匀 按时 抵达勘探器,但有些很早,有些很晚,构成一条有必定宽度的 钟形曲线 。

当引力波经过期,LIGO手臂的长度改变不到质子宽度的万分之一。勘探系统要满足灵敏才干准确丈量激光信号,这导致部分未按时抵达的光子也会形成亮光,发生假的引力波信号,这便是所谓的 量子噪声 。

为了防止 报假警 ,LIGO设定只要手臂长度改变超出量子噪声规模才判别为引力波到来,这无疑约束了它对间隔更远、强度更弱的引力波勘探。

量子紧缩减小量子噪声

量子紧缩是20世纪80年代提出的概念,其基本思想是量子真空噪声能够表明为沿相位和振幅两个主轴的不确定性球。这个球体就像一个应力球,能够被紧缩。假设沿相位轴缩短球体,相位状况的不确定性,也便是光子抵达时刻的不确定性将减小,但振幅状况的不确定性,也便是光子抵达数量的不确定性将添加。

因为时刻不确定性是LIGO量子噪声的首要影响要素,所以,沿相位方向紧缩能够使勘探器对引力波愈加灵敏。麻省理工学院的研讨团队从15年前就开端规划 量子真空紧缩器 ,以提醒更弱小、更悠远的引力波信号。2010年,前期的紧缩器在坐落汉福德的勘探器上进行测验,取得了必定的作用。

之后,研讨人员逐渐改善 量子真空紧缩器 。其中心是一个光学参量振荡器,它是一个蝴蝶结形状的设备,中心是一小块晶体,四周由反射镜围住。激光经过晶体原子时,其光子的振幅和相位将重新排列,以抵达 紧缩 真空,减小光子抵达时刻动摇的意图。

装置 量子真空紧缩器 后,LIGO的勘探间隔延伸15%、超越4亿光年,引力波的发现速度有望进步50%,抵达每周都或许发现新引力波的阶段。LIGO的 搭档 、坐落意大利的 处女座 引力波勘探器也现已装置相似设备,勘探间隔进步5% 8%,引力波发现速度添加16% 26%。此外,紧缩器有助于准确定位引力波源的方位,便利天文学家进行后续观测。

麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研讨所首席科学家丽莎 巴索蒂泄漏,因为此次改善,LIGO的下一次晋级能够将引力波勘探速度进步5倍以上。 

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