干涉儀工作時既互相獨立,又齊心協力,因此科學家希望綜合多個干涉儀的信息,利用三角測量法來確定引力波源在天空中的具體位置。三角測量法的原理就好比用雙耳來聽聲音。用單耳聽是無法確定聲源位置的。聲音到達兩只耳朵的時間存在先后差異,通過這個時間延遲就可以推算出聲源的方位。與此類似,一臺干涉儀接收到的引力波信號可以來自任何地方,在地球表面至少需要3臺互相分離的引力波探測器才能確定波源的位置。VIRGO與LIGO的兩臺探測器合作,組成了這種引力波探測網,并從2007年開始運行。兩個團隊的研究者分享這些探測器的數據,并對其進行整合分析。這種數據共享還有一種好處:如果真的出現了引力波信號,那么所有探測器都應該探測到它,所以數據分享是個確認信號的好方法。對引力波源進行實時定位還能讓在各個電磁波段工作的天文望遠鏡和衛星也同時指向波源,觀測與引力波相關的天文現象(如伽馬射線等)。2007年到2011年間,VIRGO和LIGO搜索了能夠讓臂長變化10-22米的引力波。但這還遠遠不夠。探測器的靈敏度會對最大可探測距離造成直接影響(探測器只能探測到這個距離內的引力波源)。這個距離取決于波源的種類、特征、引力波的振幅、持續時間以及頻率范圍。打個比方,以VIRGO的靈敏度要探測到兩個1.4倍太陽質量的中子星碰撞時發出的引力波,這兩個中子星到地球的距離要在4 000萬光年以內。而由脈沖星(高速自轉的中子星)發出的引力波信號在幾萬光年外就無法被探測到了。知道了最大的測量距離后,還要考慮到引力波源的出現頻率。一些引力波源非常罕見,比如相互碰撞的中子星要比單個的中子星少得多。如果能夠提高引力波探測器的靈敏度,那么探測到引力波的可能性也會上升。換句話說,環繞地球的可探測宇宙范圍將被擴大。從2011年底起,VIRGO經歷了一些重大改造,變成了“先進VIRGO”(Advanced Virgo),將于今年開始運行。“先進VIRGO”的反射鏡變得更重,激光器的功率擴大了10倍,光學設置進行了調整,分析程序也得到了優化。到2020年,先進VIRGO能夠探測的距離將是VIRGO的10倍,而它能探測的宇宙范圍將擴大1 000倍。我們希望利用它在每年探測到更多的中子星碰撞。與此同時,LIGO也進行了升級改造,而且日本和印度也在建造新的引力波探測器,中國也在籌備引力波探測計劃。在遙遠的未來,人類還有更加雄心勃勃的引力波探測計劃,如建造在地下的臂長為30千米的愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope),或是位于太空的,臂長為500萬千米的演化空間激光干涉天線(eLISA),我們對來自宇宙的天籟將變得更加熟稔。作者:法國薩瓦大學粒子物理實驗室教授、《環球科學》雜志特約專家達米爾布斯庫里克(Damir Buskulic),法國圖爾大學數學及理論物理實驗室副教授、《環球科學》雜志特約專家路易克維蘭(Loc Villain)轉載請注明來自“科普中國”。

VIRGO、LIGO與eLISA:現在與未來如何探測引力波

圖文簡介

干涉儀工作時既互相獨立,又齊心協力,因此科學家希望綜合多個干涉儀的信息,利用三角測量法來確定引力波源在天空中的具體位置。三角測量法的原理就好比用雙耳來聽聲音。用單耳聽是無法確定聲源位置的。聲音到達兩只耳朵的時間存在先后差異,通過這個時間延遲就可以推算出聲源的方位。與此類似,一臺干涉儀接收到的引力波