LIGO将重大升级,继续领跑全球引力波探测

2019-02-18 08:34 科技日报

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当地时间2月15日,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)科学合作组织宣布,接收到来自美国国家科学基金会、英国研究与创新机构和澳大利亚研究委员会共3500万美元的资金支持,将对其两个探测器进行重大升级。

LIGO曾于2015年首次在人类历史上聆听到时空的涟漪——引力波。升级后的LIGO将被命名为Advanced LIGO Plus ,简称ALIGO+,预计将于2024年开始运行。

美国国家科学基金会负责人弗朗斯·科多瓦表示,这次升级将保证LIGO未来10年在引力波科学领域继续保持领先地位。

每天都将“听”到引力波

2015年以来,LIGO共成功探测到11次引力波事件,10次源于黑洞并和,1次源于中子星并和。而升级后的ALIGO+,探测能力将进一步增强,可探测的宇宙空间将比现在提升7倍。

LIGO负责人、加州理工大学教授大卫·赖茨表示,有了ALIGO+,将来每天都能探测到黑洞并和产生的引力波。而探测由中子星并和产生的引力波,虽然目前仅有1次,但未来会愈发频繁。

这主要是因为,升级后的ALIGO+将应用量子压缩光和新的镜面涂层技术。

“目前 LIGO的设计灵敏度由量子噪声主导,而量子压缩光正是用来降低量子噪声的。”LIGO科学合作组织成员、任教于英国伯明翰大学物理与天文学院的缪海兴告诉科技日报记者。

缪海兴介绍,量子压缩光可理解为对量子涨落的“重新分配”。ALIGO+将应用与频率相关的量子压缩光,即同时降低低频的量子辐射压力噪声和高频的量子散粒噪声,目标是将ALIGO+的振幅灵敏度提高到目前的2倍。

至于新的镜面涂层技术,缪海兴透露,镀膜的材料不会改变,而是会通过新的处理技术,使镜面镀膜的热噪声大大降低。

“这就相当于ALIGO+使用了更好的‘抗噪’耳机,我们就能听到更清晰的‘音乐细节’以及更微弱的‘神秘歌声’。” LIGO科学合作组织成员、武汉大学物理科学与技术学院特聘研究员范锡龙接受科技日报记者采访时说。

或将挑战恒星和星族演化理论

“随着时间的推移,LIGO探测到引力波的次数肯定会越来越多。我们可以通过提升探测器的灵敏度来实现这一目标,而不仅仅是按部就班地观测和等待。” LIGO科学合作组织成员、英国格拉斯哥大学教授王毅雄接受科技日报记者采访时说。

王毅雄介绍,ALIGO+对双中子星并和的探测距离将达到300百万秒差距(Mpc),而对双黑洞并和的探测距离超过宇宙半径的一半。

“这意味着,对于同一类引力波源而言,例如双中子星并和产生的引力波,ALIGO+可探测到更遥远、数量更多的信号。” 范锡龙说。

范锡龙告诉记者,更多的同类信号可以让科学家从统计学角度理解这些系统,如双中子星的质量分布、自旋分布等,就像给宇宙中的相关天体做“人口普查”。而借助统计学信息,结合恒星和星族演化理论,就能推测双中子星的演化过程等问题。

与此同时,更遥远的引力波信号,会有更大几率遇到宇宙中其他天体,从而发生强引力透镜化引力波现象。通过研究这种现象,引力波速度、哈勃常数、星系暗物质分布等一系列重要问题将有可能获得重要进展。

“我个人最期待的是,ALIGO+能观测到更多更遥远距离的大质量双黑洞,那么关于双星比例、初始质量函数等一系列恒星和星族演化理论中的初始设定可能会受到挑战。” 范锡龙说。

按照ALIGO+项目负责人迈克尔·朱克的说法,ALIGO+将在1周以内实现过去3年的探测数量。在范锡龙看来,随着引力波探测器的不断升级,引力波信号也需要更加详细复杂的数据处理过程来挖掘。

“未来大量引力波信号的快速处理将是一个新的研究领域。” 范锡龙告诉科技日报记者,除了使用更快的计算机、提高传统算法运算速度等手段,机器学习技术也开始在引力波数据处理领域大展拳脚。

责任编辑:陶国琪(QT0003)