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“愛因斯坦望遠鏡”提上日程

下一代引力波“捕手”:有望揭示更多宇宙秘密

2020-09-18 科技日报 刘霞
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  近日,歐洲科學家將擬議的愛因斯坦望遠鏡(ET)納入“歐洲研究基礎設施戰略論壇”(ESFRI)路線圖內。ESFRI在歐洲研究基礎設施的決策中起關鍵作用,ET的設計目前已經得到歐盟委員會及歐洲各地約40個研究機構和大學的財團支持。

  據物理學家組織網9月15日報道,計劃中的ET是地基引力波探測器,它將能夠發現更多黑洞和中子星並和事件,從而測試愛因斯坦的廣義相對論並使引力波天文學變得更加精准。

  除ET外,美國的激光幹涉儀引力波天文台(LIGO)正在升級;日本和印度的引力波探測器的建造工作也在如火如荼地進行之中。

  ET光學聯席主席、英國思克萊德大學生物醫學工程系主任斯圖爾特·裏德教授說:“未來的引力波天文台,如ET等,有望幫助研究人員發現更多黑洞和中子星並和現象,使我們能更好地描繪宇宙如何膨脹,並觀察到全新的事件。”

  引力波領域仍有大量未解之謎

  中國國家天文台研究員張承民對科技日報記者介紹說:“引力波是一種‘時空漣漪’,類似石頭丟進水裏産生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞合並過程中將産生引力波。”

  “引力波像其他的波一樣,攜帶著能量和信息。電磁波(宇宙微波背景輻射)只能讓我們看到大爆炸38萬年之後的景象,而引力波能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初的瞬間,檢驗宇宙大爆炸理論是否正確,是人類認識宇宙的全新窗口”,張承民進一步解釋道。

  2015年9月,LIGO探測到了由雙黑洞合並産生的引力波信號,這是人類曆史上首次直接探測到引力波,這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。

  2020年9月2日,LIGO和歐洲“處女座(Virgo)”引力波探測器攜手宣布,探測到兩個質量分別爲85倍和65倍太陽質量的恒星級黑洞並和産生的引力波,這兩個黑洞並和形成了一個142倍太陽質量的黑洞,碰撞釋放出的8倍太陽質量的能量以引力波形式彌散于宇宙中,被上述兩大引力波“捕手”捕獲。

  新發現的142倍太陽質量的黑洞是迄今發現的第一個“中等質量”黑洞,此前科學家從未發現質量是太陽100到1000倍的黑洞。

  該研究報告共同作者、意大利帕多瓦大學天體物理學家、“處女座”團隊成員米夏埃拉說:“這是處于該質量範圍的黑洞的第一項證據,可能帶來黑洞天體物理學的範式轉變。”

  張承民表示:“此次探測也證明宇宙中仍然存在大量我們以前未知的”。

  多款下一代探測器將上線

  爲進一步揭示宇宙之謎,科學家們需要新一代引力波望遠鏡。

  張承民說:“ET將使科學家能探測到整個宇宙中兩個中等質量黑洞的合並,並有助了解其演化曆程”。

  據張承民介紹,ET地下探測器將由6個V形幹涉儀組成,它們被排列成等邊三角形,每邊長度爲10公裏,該望遠鏡將使用激光來測量大規模和劇烈的天體物理事件對時空的拉伸和擠壓。

  物理學家組織網在報道中指出,ET有望于本世紀30年代中期上崗,科學家們目前正在對兩個建設站點進行評估,預計將在未來五年內確定建設地點。

  裏德說:“ET獨特的三角形形狀將通過天體物理學的信號提供更多信息;更好地定位引力波在天空中的來源,並通過在強引力場中測試愛因斯坦的引力理論來推動科學家對物質和引力行爲的理解”。

  此外,其他引力波探測器的升級和建造計劃也在進行中。

  據英國《自然》雜志2019年2月中旬報道,英美兩國2月14日宣布,從2023年開始,LIGO將進行2015年以來最重大的一次技術升級——所謂的“先進LIGO+”(ALIGO+)項目。

  格拉斯哥大學的物理學家肯·斯特恩表示,如果一切按計劃進行,LIGO將能夠發現距離地球325百萬秒差距(約10億光年)範圍內發生的中子星合並事件,相比ALIGO +升級前的設計探測精度(173百萬秒差距),這次升級幾乎將LIGO的探測精度提高了一倍。諾貝爾獎得主、LIGO前主任巴裏·巴裏什則表示,此次升級不僅會提高探測頻率,同時也將提高觀測質量。“例如,降低噪音將使研究人員能了解黑洞在合並之前是如何自旋的,這將爲研究黑洞的曆史提供線索”。

  張承民補充說:“下一代引力波探測器還包括歐洲的激光幹涉儀空間天線(LISA)計劃。LISA由三個衛星激光幹涉探測器組成,旨在探測超大質量黑洞並合的低頻引力波信號。LISA已在2015年發射關鍵技術衛星,預計2034年發射3顆衛星組成邊長爲百萬公裏量級的等邊三角形星座”。

  日本“神岡引力波探測器”(KAGRA)由諾貝爾獎得主梶田隆章坐鎮指揮,于2010年正式啓動,建設成本約150億日元,由兩條3公裏長的激光幹涉臂組成。我國的清華大學、北京師範大學等也是KAGRA的合作夥伴。無獨有偶,LIGO實驗室和印度引力波物理學界此前達成協議,計劃把LIGO的一部分實驗設備運往印度,在印度建造“LIGO-印度(LIGO-India)”引力波觀測站,其有望2025年後投入運行。

  中國引力波探測如火如荼

  我國的引力波探測活動也進行得如火如荼。

  張承民說:“我國正在進行的引力波探測計劃有三個:兩個空間和一個地面項目,分別是中科院推動的‘太極計劃’和中山大學主導的‘天琴計劃’,以及中科院高能所牽頭的‘阿裏計劃’”。

  張承民進一步介紹道,“太極”和“天琴”類似于LISA計劃。“太極”和“天琴”的幹涉臂分別是幾十萬公裏和17萬公裏,擬探測的引力波頻率介于LIGO和LISA之間。“太極”和“天琴”可以探測雙白矮星並合以及幾萬倍太陽質量的大黑洞並合,這擴展了LISA的低頻引力波探測頻段;而LIGO探測到的是高頻引力波,由恒星級質量黑洞和中子星彼此並合而産生。

  “太極一號”和“天琴一號”衛星分別于2019年8月31日和2019年12月20日成功發射,正在進行前期技術驗證,試驗和發展空間引力波探測器的兩個精密技術,即空間慣性基准和激光幹涉測距。

  我國的地面引力波項目“阿裏計劃”與美國物理學家合作進行,2016年正式啓動,在海拔5100米的西藏阿裏地區建設,旨在進行宇宙原初引力波探測,目前進展順利,預計2022年後投入先期試驗觀測。

  有望揭示更多宇宙奧秘

  張承民說:“在可預見的未來,這麽多引力波探測器組團上線,將幫助科學家們進一步揭示宇宙的奧秘”。

  “ET的精度將高于LIGO;而LISA將開啓認識宇宙超級大質量黑洞新時代”,張承民強調說。

  對此,張承民進一步解釋道,首先,我們可以期待獲得更多黑洞-黑洞並和、黑洞-中子星並和、中子星-中子星並和事件,極大豐富人類關于宇宙的認知視野;其次,探測精度的提升可以針對黑洞自旋進行測量,這擴展了我們對黑洞的更新理解;再次,從幾百到幾百萬倍太陽質量的中等黑洞和超級大黑洞也是預想目標,這些測量可能刷新人類對全新的宇宙家園的認識;最後,新的大科學探測裝置投入也可能獲得完全預料之外的新發現。

  張承民指出:“畢竟人類關于宇宙的定量探索還處于摸索階段,面對浩瀚而漫長的138億年宇宙,人類不過幾百萬年,而科學探索僅僅幾百年。我們常常無知地以爲人類是宇宙最偉大的生命,然而事實正如愛因斯坦所言:宇宙像一個無限延伸的球,我們走的越遠,遇到的問題越多”。

  蓬勃發展的引力波探測裝置,即將給人們呈現出美妙的宇宙交響樂章,讓我們管窺宇宙的浩渺和神秘。

打印 責任編輯:張芳丹

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