科學家提新技術 可能將引力波探測器靈敏度提高一倍





LIGO的兩個干涉儀分別位於美國南海岸利文斯頓和西北海岸的漢福德,每個干涉儀都由相互垂直成L形的兩個4千米長真空鋼管臂組成,每個管臂兩端都安裝很多加工精細的鏡子。當一束雷射經過干涉儀時,雷射束會分成兩束分別沿著兩個管臂行進。

當有引力波出現時,其中一個管臂會伸長,而另一個管臂會被壓縮,使得兩束雷射沿著兩個管臂行進的距離不同,當再次相遇時就會變得不同步。利用這個原理,LIGO的靈敏度足以探測到只有質子直徑萬分之一(即10-19米)的目標移動距離。因此,即使引力波信號極其微弱,LIGO干涉儀也能將其捕捉。

因靈敏度極高,LIGO干涉儀很容易受到來自背景噪音的干擾。對於遠處卡車隆隆聲以及溫差波動等的干擾,科學家們已經有了應對之策,但雷射器所產生的雷射光束的量子力學波動噪音,往往會將微弱的引力波信號淹沒。到達LIGO探測器的雷射束內的光子數量不確定性,給移動距離的測量也帶來不確定性;不知道具體數量的光子,通過撞擊LIGO鏡面時施加的動量沖力,也造成了鏡面移動,進一步增加了測量結果的不確定性。

壓縮雷射「抑制」干擾

為解決雷射量子噪音干擾,LIGO實驗組與德國GEO600引力波探測儀項目組合作,採用壓縮光技術來弱化量子噪音。現在這些壓縮光技術已經在GEO600干涉儀中正式使用,並在LIGO干涉儀進行了初步試用。其原理就是利用量子力學定律中的漏洞,通過增加光的一種特徵波動來減少光的另一種特徵波動。

GEO600靈敏度雖然不及LIGO,但LIGO所用的多項核心技術都是GEO600團隊的科學家提出設想並在GEO600完成測試的。GEO600項目科學家提出,通過壓縮光技術減少雷射位移的不確定性,可提高高頻率波段的引力波探測的精度,而通過壓縮光技術減少雷射動量的波動,可提高探測低頻波段引力波的靈敏度。

但目前的壓縮光技術,要麼只能減少雷射位移波動,要麼只能減少雷射動量波動,不能同時降低兩種量子噪音效應。LIGO希望在5年內,使用一種名叫「過濾空腔」的技術,做到對兩種雷射量子噪音的同步壓縮,以改進LIGO對引力波全波段探測的靈敏度。

新技術是個「潛力股」

《自然》雜誌刊登的最新成果是由丹麥哥本哈根大學尼爾斯·波爾研究所物理學家尤金·波茲克帶領其團隊完成。他們讓雷射在撞擊目標之前,先通過氣態金屬銫原子雲,向雷射施加一個反方向的動力,將雷射的動量波動完全「抵消」,從而將量子效應帶來的不確定性降低了34%。

波茲克團隊已經開始與莫斯科大學和俄羅斯量子中心開展合作,進一步對這一技術進行改進。馬克斯·普朗克引力波物理學研究所和LIGO等機構的研究人員也在與波茲克團隊商討合作事宜。

雖然這一新技術還沒在引力波探測中進行驗證,但LIGO項目組成員、美國麻省理工學院(MIT)物理學家納吉斯·馬瓦瓦那認為,初步統計結果顯示,該技術非常具有潛力。波茲克表示,再經過5到10年的發展,該技術或能將引力波探測儀的靈敏度提高一倍。


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