物理學(xué)家獲得NSF資助以繼續(xù)引力波探測(cè)器研究

2023 年 3 月，先進(jìn)激光干涉儀引力波天文臺(tái) (LIGO) 將開(kāi)始其為期四年的觀(guān)測(cè)期。位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去兩年中一直在進(jìn)行硬件和軟件升級(jí)，以提高探測(cè)器的靈敏度，使它們能夠感知“微弱”的引力波，從而探測(cè)到比以往更多的事件。

與此同時(shí)，高級(jí) LIGO 團(tuán)隊(duì)的成員正在不斷改進(jìn)未來(lái)幾年的未來(lái)觀(guān)察期。Stefan W. Ballmer是藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授，他是幫助設(shè)計(jì)和建造 LIGO 探測(cè)器的團(tuán)隊(duì)的成員。

為了繼續(xù)這項(xiàng)工作，鮑爾默最近獲得了 555,000 美元的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 撥款，用于開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)光學(xué)腔失配的技術(shù)和用于下一代探測(cè)器懸架的致動(dòng)器，這是對(duì)引力波天體物理學(xué)探測(cè)器技術(shù)的資助更新。

該獎(jiǎng)項(xiàng)還為鮑爾默的博士生提供支持，包括目前在漢福德現(xiàn)場(chǎng)的 Elenna Capote，幫助調(diào)整探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)和控制系統(tǒng)，以確保探測(cè)器按設(shè)計(jì)運(yùn)行。

“這些探測(cè)器是復(fù)雜的機(jī)器，有數(shù)千個(gè)控制回路，保持四個(gè)主鏡和另外 30 個(gè)懸掛鏡對(duì)齊并控制長(zhǎng)度以保持光共振，”鮑爾默說(shuō)。“每次你做出改變，它真的變成了一個(gè)必須重新調(diào)整的新探測(cè)器。”

LIGO 的工作原理

LIGO 使用一對(duì)稱(chēng)為干涉儀的巨型激光探測(cè)器，位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓，相距 1,900 英里。每個(gè)探測(cè)器都包含兩個(gè) 2.5 英里長(zhǎng)的真空臂——相互垂直的管子。一束強(qiáng)大的激光束被分成兩束并沿著手臂發(fā)射。末端的鏡子將光反射回激光束分離的位置。由于臂的長(zhǎng)度相同，因此光到達(dá)每個(gè)隧道盡頭的鏡子并返回時(shí)應(yīng)該花費(fèi)完全相同的時(shí)間。但是如果引力波穿過(guò)地球，它會(huì)改變鏡子之間的距離，導(dǎo)致光束在不同的時(shí)間返回。

通過(guò)比較兩束光束，LIGO 能夠測(cè)量由引力波引起的時(shí)空拉伸，這是 2015 年首次進(jìn)行的開(kāi)創(chuàng)性觀(guān)察，首次物理確認(rèn)了距離近 13 億光年的兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波。

根據(jù)鮑爾默的說(shuō)法，2.5 英里長(zhǎng)的手臂中的激光功率越高，科學(xué)家們就能更準(zhǔn)確地確定手臂的運(yùn)動(dòng)。但是目前可以使用的激光功率量受到探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)缺陷的限制。“從探測(cè)器返回的激光的光學(xué)相位前沿可能會(huì)因鏡子中的熱效應(yīng)而變形，”他說(shuō)。