重力異常探測器是如何工作的：愛因斯坦的不朽遺產

在阿爾伯特·愛因斯坦在廣義相對論中做出的理論預測一百年後，科學家們成功地證實了引力波的存在。一個研究遙遠空間的全新方法——引力波天文學的時代開始了。

發現是不同的。有隨機的，在天文學中，他們經常被發現。不是完全隨機的，這是徹底的“搜尋地形”的結果，如天王星威廉·格舍爾的發現。有一些塞倫迪普斯 - 當他們尋找一個，並發現另一個：例如，發現美國。但是，計劃中的發現在科學中佔有特殊的地位。它們基於明確的理論預測。預測主要是為了證實這一理論。這些發現包括探測大型強子對撞機上的希格斯玻色子，以及使用LIGO鐳射干涉測量引力波天文臺記錄引力波。但是，要記錄一些理論預測的現象，你需要很好地瞭解究竟在找什麼和在哪裡，以及需要什麼工具。

LIGO 探測器是如何工作的

在 LIGO 和 VIRGO 鐳射干涉儀中，鐳射束由鏡子分割，並擊中兩個垂直肩部。一旦每個肩膀的光線來回執行數百次，光線就會再次收斂並干擾。儀器的配置使一個肩部的最與另一個肩部的最小值完全匹配，並且探測器上的干擾結果為零。如果肩部長度發生變化，探測器上就會出現非零訊號。這是從光電探測器讀取的電流，幷包含有關重力訊號特性的資訊。因此，您可以非常準確地測量波形引數，該波引數在幾十毫秒內以高頻率移動映象。移位本身將微乎其微，比質子的大小小得多。但重要的是，測量的不是這個微小的長度，而是動力裝置中定義良好的電氣引數，使鏡子回到原位。

我們在找什麼

引力波傳統上被稱為廣義相對論的預測，事實上，這是事實（雖然現在所有模型中都有這樣的波，替代OMO或補充它）。波的出現是由引力相互作用傳播速度的四肢驅動的（在OO，這個速度完全等於光速）。這些波是來自源頭的時空擾動。要產生引力波，源必須脈動或加速移動，但必須以某種方式移動。比方說，具有理想球形或圓柱對稱性的運動是不合適的。有很多這樣的來源，但往往有一個小質量，不足以產生一個強大的訊號。畢竟，重力是四種基本相互作用中最弱的，因此很難記錄重力訊號。此外，要進行註冊，訊號必須及時快速變化，即具有足夠高的頻率。否則，我們將無法註冊它，因為更改速度太慢。因此，物件必須緊湊。

最初，像我們這樣的星系每隔幾十年發生一次超新星的爆發引起了極大的熱情。因此，如果能夠達到從幾百萬光年距離看到訊號的靈敏度，那麼每年可以計算幾個訊號。但後來發現，最初對超新星爆炸期間引力波形式的能量釋放功率的估計過於樂觀，只有在超新星在我們的銀河系中爆發時，才能記錄出類似的微弱訊號。

另一種快速移動的大型緊湊型物體是中子星或黑洞。我們可以看到他們的教育過程，或彼此互動的過程。恆星核心崩潰的最後階段，導致緊湊物體的形成，以及中子星和黑洞融合的最後階段，其持續時間約為幾毫秒（相當於數百赫茲的頻率），正是必要的。它釋放出大量的能量，包括（有時主要是）引力波，因為巨大的緊湊身體進行一些快速運動。它們是我們的理想來源。

然而，超新星每隔幾十年在銀河系中爆發一次，中子星的融合每幾萬年發生一次，黑洞的融合頻率更低。但訊號更強大，其特性可以相當精確地計算。但是現在我們必須學會從幾億光年的距離看到訊號，以覆蓋幾萬個星系，並在一年內探測到幾個訊號。

在LIGO和VIRGO的技術滾動過程中，一組科學家正在研究控制噪音的方法。計算了預期的事件數和訊號形式。事實是，我們越瞭解訊號的形狀，就越容易在噪聲中識別訊號。這可以與低音量單詞識別相提並論 —— 當您知道的單詞說時，沒有問題，您無法理解一個不熟悉的單詞。為了驗證識別有用訊號的演算法，專案經理向分析資料流中丟擲一個假峰值，確認電路的執行狀況。想象一下，科學家發現發現的事件只是一個測試測試，而不是一個真正的結果是多麼令人壓力！

我們正在尋找什麼

確定源後，我們將開始設計探測器。要做到這一點，你必須瞭解引力波的作用。在不進入細節的情況下，我們可以說，引力波的透過會導致潮汐力（通常的月球或太陽潮是一個單獨的現象，引力波與此事無關）。因此，例如，你可以採取金屬圓柱體，提供感測器，並研究其振動。這並不難，所以這些裝置早在半個世紀前就開始了（在俄羅斯也有這樣的裝置，現在在巴克桑地下實驗室安裝了由莫斯科國立大學交警隊的瓦倫蒂娜·魯登科團隊開發的改進探測器）。問題是，這樣的儀器將看到一個訊號，沒有任何引力波。有很多噪音是很難處理的。你可以（而且已經這樣做了！）在地下安裝探測器，試圖隔離它，冷卻到低溫，但仍然需要一個非常強大的引力波訊號來超過噪音水平。強大的訊號很少出現。

因此，我們選擇了弗拉迪斯拉夫·普洛沃伊特和米哈伊爾·格森斯坦在1962年提出的另一個計劃。在JETF（實驗和理論物理學雜誌）上發表的一篇文章中，他們建議使用麥凱爾森干涉儀來記錄引力波。鐳射束在干涉儀兩個肩部的鏡子之間執行，然後來自不同肩膀的光線摺疊起來。透過分析光線干涉的結果，可以測量肩長的相對變化。這些都是非常精確的測量，所以如果你擊敗噪音，你可以達到夢幻般的靈敏度。

20世紀90年代初，決定根據這一計劃建造幾個探測器。第一個投入使用的是相對較小的裝置，歐洲的GEO600和日本的TAMA300（數字對應於肩長（以米為單位）來滾動技術。但主要參與者應該是美國的LIGO安裝和歐洲的VIRGO。這些儀器的大小已經以公里為單位，最終的計劃靈敏度應該允許每年看到數十個，如果不是數百個事件。

為什麼需要多個裝置？主要用於交叉檢查，因為存在區域性噪聲（如地震噪聲）。在美國西北部和義大利同時記錄訊號將是其外部起源的完美證明。但還有第二個原因：引力波探測器對源頭的方向定義非常差。但是，如果有一些分散的探測器，你可以非常準確地指定方向。

鐳射大滿為奇

LIGO 探測器最初建於 2002 年，VIRGO 於 2003 年建成。根據計劃，這只是第一階段。所有裝置都運行了幾年，並在2010-2011年停止改進，然後達到計劃中的高靈敏度。VIRGO 於 2015 年 9 月率先獲得 LIGO 探測器，將於 2016 年下半年加入，從這一階段開始，靈敏度允許您希望每年至少記錄幾個事件。

LIGO 開始工作後，預計每月的突發速度約為一個事件。天體物理學家事先估計，第一個預期事件應該是黑洞的合併。這是因為黑洞通常比中子星重十倍，訊號變得更強，從更遠的距離“可見”，這幾乎抵消了每個星系的較小事件速度。幸運的是，我們不必等待太久。2015 年 9 月 14 日，兩個裝置都記錄了幾乎相同的訊號，稱為 GW150914。

透過非常簡單的分析，可以獲得黑洞質量、訊號強度和到源的距離等資料。黑洞的質量和大小以非常簡單和眾所周知的方式連線在一起，透過訊號頻率，可以立即估計能量釋放區域的大小。在這種情況下，大小表明，在兩個25-30和35-40個太陽質量的洞中，形成了一個質量超過60個太陽質量的黑洞。知道這些資料，你可以得到和充分的爆發能量。近三個太陽質量進入重力輻射（根據公式E = mc2）。這相當於太陽1023個亮度的亮度，與宇宙可見部分的所有恆星發出的亮度大致相同（百分之一秒）。從已知的能量和測量訊號的大小中，可以獲得距離。大量的合併體允許記錄在遙遠的星系中發生的事件：訊號已經向我們發出了大約13億年的時間。

更詳細的分析可以最佳化黑洞的質量關係，並瞭解它們如何圍繞其軸旋轉，並確定其他一些引數。此外，來自兩個裝置的訊號可以大致確定浪湧的方向。不幸的是，到目前為止，精度不是很高，但隨著升級的VIRGO的引入，它將增加。幾年後，日本KAGRA探測器將開始接收訊號。然後，其中一個LIGO探測器（最初是三個，其中一個裝置是雙倍的）將在印度組裝，預計每年將記錄幾十個事件。

新天文學時代

目前，LIGO最重要的結果是確認了引力波的存在。此外，第一次爆發改善了對重力質量的限制（在OO，它的質量為零），並進一步限制了重力傳播速度與光速的差異。但科學家希望，早在2016年，他們將能夠透過LIGO和VIRGO獲得許多新的天體物理資料。

首先，引力波天文臺的資料是研究黑洞的新渠道。如果以前只能觀察這些物體周圍的物質流動，那麼現在可以直接“看到”正在形成的黑洞的合併和“平靜”過程，就像黑洞的地平線一樣，以其最終形式（由旋轉決定）。也許，直到發現黑洞的霍金蒸發（到目前為止，這個過程仍然是一個假設），對合並的研究將提供關於它們的最佳直接資訊。

其次，對中子星合併的觀察將提供關於這些物體的許多新的、急需的資訊。我們第一次能夠像物理學家研究粒子一樣研究中子星：觀察它們之間的碰撞，以瞭解它們是如何在內部排列的。中子星底的結構之謎困擾著天體物理學家和物理學家。如果不解決這一問題，我們對超高密度核物理和物質行為的理解就不完整了。引力波觀測很可能在這裡發揮關鍵作用。

據認為，中子星的融合是造成短宇宙伽馬射線爆發的。在極少數情況下，可以同時在伽馬波段和引力波探測器上觀察事件（很少與一個事實有關，即首先伽馬訊號集中在一個非常狹窄的光束中，它並不總是指向我們，其次，我們不會記錄引力波遠離非常遙遠的事件）。顯然，它需要幾年的觀察才能看到這一點（雖然像往常一樣，可以幸運地做到這一點，它今天就會發生）。然後，除其他事項外，我們可以非常準確地比較重力速度和光速。

因此，鐳射干涉儀將作為一個單一的引力波望遠鏡工作，為天體物理學家和物理學家帶來新的知識。那麼，第一次爆發的發現和分析遲早會獲得當之無愧的諾貝爾獎。