科学家向“倾听”万有引力波迈近一步

2010-12-01 10:01 来源: 中国科学院
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  美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)最近成功消除激光噪声干扰,向“倾听”万有引力波迈近了一步。研究论文发表在最近出版的《物理评论快报》上。

  万有引力波是爱因斯坦20世纪初预测的存在于时空中的波痕,至今尚未被直接观察到。NASA和欧洲太空署合作进行的一项空间任务计划——激光干涉空间天线(LISA)的目标就是探测万有引力波的细微信号。

  LISA计划使用3个分离航天器构成一个等边大三角,彼此通过激光束连接,随地球之后20度绕太阳飞行。每个航天器都携带一个金铂合金的立方体,自由飘浮在太空。当万有引力波通过航天器,将在两个立方体之间产生大约1皮米(10-12米)的距离变化,而航天器间的距离为500万公里,这就像在干草堆里找一个质子。

  其测量的核心技术是干涉过程。LISA准备采用一种尖端的激光束探测仪——相位仪(phase meters)来探测激光,然后送到地面进行数据处理,这一过程称为延时干涉测量。如果激光束之间的干涉图形相同,则距离没有相对变化,如果干涉图形变了,则证明距离有了变化。就像海面的波纹,有时会互相结合变得更大,有时会抵消变小或消失。

  “为了探测万有引力波,必须作出极为精细的检测,”JPL物理学家比尔·克里普斯坦说,“但激光束比我们要检测的目标更吵,我们必须小心地清除这些噪音以获得清晰的信号。这好比在暴风雨中倾听一片羽毛落下的声音。”

  最近JPL研究小组模拟LISA系统,在激光中引入了随机人造噪声,通过一套数据处理,把相位仪探测时产生的噪音降低了10亿倍,并在仿制的航天器上成功演示了皮米尺度的可见变化。

  今年8月,LISA计划获得了2010年度国家研究委员会天文与天体物理学10年报告的重点推荐。如能获选,将在2020年或之后发射。像黑洞和脉冲星这样的大质量物体,它们的引力波如同音乐旋律遍及宇宙。人们期望LISA不仅“听到”万有引力波,还能了解更多有关其来源的信息。这次任务将能探测来自银河系和遥远星系的大质量物体的万有引力波,帮助科学家理解宇宙中的这种全新语言。