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华人科学家:爱因斯坦都不敢想象,我们探测到引力波(3)

2016-02-12 10:07:45  知社学术圈    参与评论()人

世界各国的大型引力波探测器

在美国的LIGO计划开始之后,欧洲也开始进行引力波探测计划。目前,比较大型的探测器是由英国和德国合作,在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器,以及由法国和意大利合作,在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米,而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600,而和LIGO相当。

大家也许会问,为什么经济实力更强的英、德两国在引力波探测器的规模上竟然会比不过法意两国呢?据说,本来前西德也要建造一个4公里臂长的探测器。但是由于东西德合并,西德支持东德,这个经费就被砍掉了,只好建造一个600米的探测器。

最近,日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年,在日本有一个TAMA300探测器,位于东京附近的三鹰市,在日本的国家天文台院内,臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测,这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前,这个探测器的建设已经基本完成,进入了调试阶段。

前些年,印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议,计划把LIGO的一部分实验设备运往印度,并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。

GW150914

正可谓“谋事在人,成事在天”。回顾一下150914,它的发现是和人类历史上许多伟大发现一样,是一个偶然。

发现

在LIGO的正式运行中,都会做一个Blind Injection的操作:就是让几个合作者在数据里面偷偷的加上一些模拟的引力波信号,并且把这些信号的参数保密。这样,其他处理数据的人就算是有所发现,也没法知道真假。直到最后一刻,主持人打开信封,宣布偷偷加上的信号的参数,大家才恍然大悟。Blind Injection不但会提高士气,也会杜绝泄密。这个方法在LIGO-1的运行中颇有成效。

在2015年9月份,LIGO开始了一次工程试运行(Engineering Run)。因为只是调试运行,盲注的机制都没有组织好,所以根本就没有盲注。没想到,有些事情不能随便试的,没开始几天就发现了一个置信度超高的引力波信号。这个信号大到什么程度呢?就是只做一些简单的滤波后就可以用肉眼在数据的波形中发现了。自己看数据吧:

从波的频率演化看,在低频的部分开始。

碰撞的三个阶段

第一阶段。两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段,但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是,这两个黑洞分别为36和30太阳质量,每个半径大约是一百公里左右,距离是一千公里,每秒钟互相转15圈。

第二阶段。到两个黑洞快并合的时候,引力波频率达到100Hz,轨道频率50Hz,就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了,它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。

第三阶段。然后,这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡,逐渐变成一个新的、旋转的黑洞(科尔黑洞)。这个黑洞的质量是63个太阳质量,它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中,这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波,说明它在以120Hz左右旋转,也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周围绕转,并且逐渐逃逸到远处。

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