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激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身

(2019-10-31 21:03:42)
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杂谈

娱乐

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身

资深撰稿人 Ethan Siegel 

资深撰稿人 Starts With A Bang小组

Oct 30, 2019, 02:00am

Science

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身

从一声爆炸开始

   宇宙就在那里,等待着你去发现它。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
位于比萨(意大利)附近的卡西纳的处女座引力波探测器的鸟瞰图,处女座是一个巨大的有长3公里的臂并补充了两个4公里激光干涉仪引力波天文台探测器的米歇尔森激光干涉仪。这些探测器对距离的微小变化很敏感,这是跨一个特定频率范围的引力波振幅的函数。 Nicola Baldocchi / Virgo Collaboration

人类历史上所有最伟大的科学成就之一终于在几年前取得了:直接探测引力波。虽然它们是一个拉回到1915年爱因斯坦的广义相对论梳理出的早期预言但人们花了整整一个世纪才直接的发现它们。

我们实现这一梦想的方式是通过一个由激光干涉仪引力波天文台处女座卡格拉探测器共享的出色设计

将光分裂以便它沿着两个垂直激光臂传播下去

快速连续多次来会反射那个光,

然后重新组合这些光束成一种干扰模式。

当一个足够强的引力波以正确的被探测到的频率通过时这些臂交替的扩张和收缩改变干扰模式但光不会扩展和收缩吗?令人惊讶的答案是"",而这就是为什么原因

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
如果臂长度相同沿两臂的速度相同,则任何传播在两个垂直方向传播的东西将同时到达。但如果一个对另一个在方向中有一个有效的逆风/尾风或者臂长度相对彼此变化,将有一个到达时间的滞后。 LIGO scientific collaboration

上图炫耀一个米歇尔森干涉仪是的样子:一个非常古老的为一个完全不同的目的而设计的装置1881,阿尔伯特·米歇尔森寻求来探测以太以太被假设为光波传播穿过的媒介。在狭义相对论到来之前,所有波都被假定需要一种介质来传播,如水波或声波。

米歇尔森究因地球正在以大约每秒30公里的速度在太空中——绕太阳——旅行建造了这样一个干涉仪。由于光速为每秒300000公里估计了他会看到被干涉仪产生的取决于这台仪器相对于地球的运动被对齐的角度的干涉模式

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
如果你把光分成两个垂直的成分并把它们重新带回一起,它们就会产生一个干扰模式。如果有一种光线正在穿过的介质,干扰模式应取决于你的仪器怎样相对于那个运动被定向的。 Wikimedia commons user Stigmatella aurantiaca

只是,他进行了其精度比预期的幅度效果更好的实验:大约更好40。然而,他只取得了一个零结果,这表明以太并不存在,至少不是物理学家正在思考关于它的样子。米歇尔森1907年获得了诺贝尔物理学奖,可以说是唯一一次这个奖因实验的"无效结果"被颁发的。

提供了光速对所有观察者都是相同的证据,与光沿着、相对于、垂直于或以任何任意角度相对光传播在无关只要干扰模式被在一个特定方向中创建,它都应该是不变,而不管你如何定向你的检测器。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
米歇尔森干涉仪(顶部)显示了一个光模式(底部,固体)中与如果伽利略相对论为真(底部,虚线)所预期的相比可以忽略不计的变化。无论干涉仪朝向哪个方向,包括垂直与地球的运动穿过太空或反地球的运动穿过太空,光速都是一样的。Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson and E. Morley (1887)

但是,相对于另一个臂增长或缩短将改变路径长度,从而改变我们看的干扰模式。如果一个人将远端的镜子要么移近要么离近端更远,在波做出的峰---谷模式中将略有变化。但是,如果你保持你的仪器稳定,有恒定的臂长度,这种模式毕竟不应该改变的。

为了首先建立一个引力波实验这些是你需要来满足的条件你必须正确的配置和校准你的探测器考虑来自所有来源的噪音,并将你的灵敏度降低到一个它能可感觉的检测一个引力波会引起的微小臂长变化的点上。经过几十年的努力激光干涉仪引力波天文台合作第一个达到可以导致一个物理的、可观测的噪声阈值效果的引力波探测器的。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
"尖峰"来自各种噪声源。随着激光干涉仪引力波天文台的灵敏度变得越来越好,并且随着更多的探测器上线,我们的能力允许我们来检测更多的这些波以及在整个宇宙中产生这些波的灾难性事件。Amber Stuver of Living LIGO

你可能已经听说过光是一种波:电磁波。光由同相、振荡的、相互垂直的电场和磁场组成这些场与附近与电磁学耦合的任何物质相互作用

同样,有一个引力模拟:引力波。这些以光相同的速度在太空中移动的涟漪,但不会产生源自与粒子的一个相互作用产生的可检测特征。相反,它们交替的拉伸和压缩它们以相互垂直方向穿过的空间随一个引力波穿过一个空间区域任何空间体积体验一个被垂直方向中由一个变稀薄(或压缩)伴随的维度中的扩张。然后,这个波以一个频率和振幅振荡,就像任何其它波一样。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身

引力波向一个方向传播,交替膨胀和压缩在相互的垂直方向中的空间,由引力波的偏振定义的。在量子引力理论中,引力波本身应该由引力场的单个量子引力子组成的。虽然引力波可能均匀的扩散在空间上,但振幅(即 1/r)对探测器是关键量,而不是能量(即 1/r^2)。 M. Pössel/Einstein Online

这就是为什么我们的引力波探测器已经被用垂直的臂建造的:以便当一个波穿过它们时两个不同的臂将体验不同的效果当一个引力波通过时一个臂压缩,而另一个臂扩张,反之亦然。

计算地球的曲率激光干涉仪引力波天文台、处女座卡格拉探测器都在彼此的角度上。所有这些探测器同时运行无论传入波的方向如何多个探测器都会对引力波信号敏感的只要波本身通过探测器,而且没有已知的来屏蔽你自己免受一个引力波影响的方法,应该以一种可探测的方式影响臂的路径长度。

这就是谜题来自的地方:如果空间本身是正在膨胀的或压缩的,那么通过探测器的光不应该也正在膨胀或压缩吗?如果是这样的话,光在探测器上的波长是不是就像引力波从未存在时那样呢?

似乎是个真正的问题。光是波任何单个光子的定义是它的频率,这反过来定义它的波长(在真空中)和它的能量随光占据的空间延伸(红色)或收缩(蓝色)光红移或蓝移,一旦波完成了通过,光返回到当空间被恢复到它原始状态时的相同波长。

似乎不管引力波就像光应该产生同样的干扰模式一样。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
激光干涉仪引力波天文台和处女座已经发现了一个新的黑洞群,其质量大于以前只进行X射线研究(紫色)过的。此图显示了由激光干涉仪引力波天文台/处女座(蓝色)在第二轮运行结束时检测到的所有 10 个自信的双星黑洞合并的质量,以及当时看到的一颗中子星-中子星合并(橙色)。LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky

然而,引力波探测器真的工作!它们不仅起作用,而且它们已经识别了黑洞-黑洞合并的明确特征允许我们来重建合并前和合并后它们的质量、它们的距离、它们在天空中的位置以及许多其它属性。

理解这一点的关键是忘记波长集中在时间上。是的,波长真的取决于随一个引力波的通过空间如何改变的,那些红移和蓝移是真实的。但是没有改变的是真空中的光速它总是每秒299792458这些引力波机器的激光腔提供一个有史以来最好的人类创造的真空)。如果你压缩你的一个手臂,光传播时间缩短,如果你展开它,光传播时间延长

相对的到达时间变化我们能看到一个一个真实引力波事件随时间变化浮现在(重建的)干扰模式中的变化。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
第二轮运行结束激光干涉仪引力波天文台和处女座已经观测到的合并黑洞的可视化的静止图像。随黑洞的地平线一起螺旋并合并,发射的引力波变大(振幅越大)和音调越高(频率越高)。合并的黑洞范围从7.6太阳质量到50.6太阳质量,每次合并时损失约5%的总质量。波的频率受宇宙膨胀的影响。Teresita Ramirez/Geoffrey Lovelace/SXS Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration

两个在每个激光脉冲开始时分离的垂直光束在探测器中重新结合时,它们创造我们观察到的临界干扰模式。如果在任何时候臂的长度有差异,那么这些光束已经传播的时间量会有一个不同,因此干涉模式将发生变化。

这就是为什么我们使用光束而不是单个光子。如果同时的发射一对光子并沿着垂直臂向下移动,则最短累积路径长度看到的光子首先到达:它的伙伴光子之前该光子将看到一个更长的累积路径长度。

但是波是连续的光源。即使到达时间相差仅约10^-27秒,足以导致最初的调谐来造成干扰模式消失的两个波出现在一个壮观的振荡不匹配中,产生临界信号

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
当两个臂的长度完全相等并且没有引力波通过时信号为空,干扰模式为常数。随着臂长的变化,信号是真实的和振荡的,干扰模式会随着时间以可预测的方式而变化。NASA's Space Place

你可能仍然担心光的红移和蓝移效果,但它们能被忽略有两个原因:     

即便光的波长在它的旅程中发生变化,但所有波长的光,至少在真空中以相同的速度传播。   

即便光的波长从点到点变化,但这些变化是瞬态的;当它们到达探测器时,在太空的同一点它们将再次成为同一波长。

这是所有这一切的关键、重要的一点:红光(长波长)和蓝光(短波长)都使用相同的时间穿越相同的距离。

激光干涉仪引力波天文台的激光能看引力波,即便这些波延伸光本身
一个光子的波长越长,它的能量越低。但是所有的光子不管波长/能量以相同的速度光速移动。需要来覆盖特定指定距离的波长数可能会发生变化,但两者的光传播时间是相同的。NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

事实是当一个引力波通过一个探测器时,它会改变两个相互垂直臂的相对路径长度路径长度中的变化改变每个光量子所需的光传播时间,而导致不同的到达时间,并导致结果的干扰模式发生偏移随两个臂的长度一起同相变化我们能用这些信息重建在遥远源产生的引力波的特性。

了解它怎样起作用的关键成分一束光束在仪器中停留的时间稍长,因此当它到达探测器时它与它的对手光束稍失相。源自激光干涉仪引力波天文台(和处女座、卡格拉)的压缩了一个质子宽度的约0.01%事实这种微小的时间变化目前被用来在当前第III运行期间发现几十个新的合并事件引力波现在是一个强大的、可观察的科学,现在你知道它的探测器实际上怎样工作的!

推特上跟随。查看我的网站在这里我的一些其他工作。

天体物理学家和作者爱善西格尔从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的迁徙术超越银河在任何售书的地方都可以买到。

从一声爆炸开始撰稿人小组

   从一声爆炸开始致力于探索我们对宇宙的了解以及我们怎样知道它的,重点是物理学、天文学和宇宙告诉我们的关于宇宙本身的科学故事。由博士科学家写作并被..编辑创作

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/10/30/yes-gravitational-waves-deform-space-no-they-dont-ruin-ligos-lasers/#304cd6f6de9d

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