在太空中立起的“天琴”,能够帮助我们捕捉宇宙之音?( 二 )
2015年9月14日,人类第一次探测到了引力波信号。
因为是在那一天探测到的,所以我们给它取了一个名字,叫做GW150914,这里展示的就是这个信号的数据。
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地面上有两个探测器同时记录到了数据,吻合程度非常高,让我们确信它的来源是两个黑洞的并合。
到2015年底,人类一共看到了三次引力波事件,也就是说有三对黑洞发生了并合,并且被地面的探测器探测到了。
现在,随着探测器灵敏度的不断提高以及探测时间的不断累计,我们探测到的事件数也在不断增加,目前一共有50个事件。
天琴计划今天,我们已经进入了一个全新的时代——引力波天文学时代。
在这之前,人类观测宇宙,只能够通过电磁波等传统手段,我们能看到的是一些图像,没有声音,就像看无声电影一样。
而这个手段的开启,让人类可以打开“宇宙电台”,倾听宇宙的声音。
2017年,我做了一个决定:回国加入"天琴"团队。为什么呢?
因为我意识到在爱因斯坦留下的这道题目——引力波探测里,还有第二个小问,这个问题是:如何探测低频的引力波信号?
低频的引力波探测与高频的探测有区别吗?
用一个简单的例子来展示一下,我手中是一个弹簧,把它拉开,让它这边振动起来,就得到了一个波长和弹簧长度一样的波。
如果振动加快,频率增加,这个长度之中就会有两个波,甚至是三个波,对应的,它的波长就会减小,换句话说,频率越高,波长也就越短。
用激光干涉测量技术测量引力波时,它的工作最敏感的范围就是当引力波的波长和探测器的尺寸差不多的时候。
地面上的探测器大概是4公里,可以探测一些比较高频的信号。
如果想观测更低频的信号,甚至是波长远远超出地球的尺寸时,就不能在地面上制造这样的探测器了,只能把这个探测器放到空中,在空间实现引力波探测。
"天琴计划"就准备做这样一件事情:发射几颗卫星到空中,然后用激光把它们连接起来,组成一个巨大的、像竖琴一样的引力波探测器,静静地等待着引力波来拨动"天琴"的琴弦。
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实现空间引力波探测,具体要怎么做?
理论上讲,好像很简单的样子,只需要发射几个质量块,把它们放到距离地面十万公里的高度。
当然在这个位置上还是有很多干扰的,比如太阳会吹来太阳风,地球会造成地磁场干扰。
我们希望这些质量块只受引力的作用,所以我们要制造一个盒子把它们保护起来,不让它们受各种干扰的影响。
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有了这样一个稳定的平台后,我们还要精密测量这些质量块之间的距离变化,就要借助空间激光干涉的方法来实现。
这些问题,说起来很容易,但真要实现起来,那可是难上加难了。
幸好我们有一个非常靠谱的实验团队,所以作为一个引力波天文学家,我就可以放心把实验的难题交给他们,我只需要研究"天琴"能够看到哪些引力波源。
我怎样研究这项课题呢?
很简单,只要我知道这几个质量块之间的距离、它们的残余加速度和距离测量精度后,就可以画出一个灵敏度曲线。
什么叫灵敏度曲线呢?
它表示着不同频率上,噪声强度的高低。
再将引力波信号叠加到这张灵敏度曲线上,当信号高于灵敏度曲线时,大致上可以认为这个信号能够被探测到。
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地面的探测器可以测量两个黑洞的并合,这个过程,两个黑洞越转越近,越转越快,频率在增加。
反过来,把时间往回倒退,一年、甚至十年的时间,是不是它的频率会更低?
我们研究发现,这个时候,它的频段正好落到"天琴"工作的范围,所以我们可以在它并合前一段时间实现探测,这样的探测比地面的探测有趣多了。
在地面上探测到双黑洞并合信号后,地面的探测器会告诉天文学家:小伙伴们,快来看,在这个方位,在这个时候,我探测到了一个双黑洞的并合信号,请你们把望远镜对准它,来观测一下。
然而可能最有趣的时候,恰恰就是双黑洞并合的时候,这边已经是亡羊补牢、为时晚矣。
而如果"天琴"可以在它并合的前几年,或者前几个月就发出预警,可以做一个“天象预报”,那我们就可以让地面的天文学家们守株待兔、以逸待劳。
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