光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是瞄準(zhǔn)特定天體共有選擇地捕捉光波,而引力望遠(yuǎn)鏡則不同,它將同時(shí)監(jiān)測(cè)宇宙中所有的引力波源,因此必需對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的分析,以區(qū)別它們不同的來源。
賈佐托說:“‘室女座’將會(huì)晝夜不停地收集信息,并能得到數(shù)量眾多,令人震驚的數(shù)據(jù)。這就需要有高性能的計(jì)算機(jī)去處理和分析這些數(shù)據(jù)。天文學(xué)家們已經(jīng)研究了在我們銀河系中的大約700個(gè)潛在的引力波源,這些信息將幫助我們識(shí)別出一部分信號(hào)。”
事實(shí)上,“室女座”的所在地將設(shè)一個(gè)設(shè)備完善的計(jì)算中心,以便實(shí)時(shí)分析處理信息,而有關(guān)的差異現(xiàn)象的數(shù)據(jù)將在意大利國(guó)家核物理研究所和法國(guó)國(guó)家科研中心的實(shí)驗(yàn)室里去分析處理。在未來,當(dāng)全世界的引力波探測(cè)器都可以通過網(wǎng)絡(luò)相互交換數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)同一信號(hào)由不同手段所進(jìn)行的對(duì)比研究將會(huì)使人們更容易地識(shí)別出那種使時(shí)空發(fā)生振顫的神秘的引力波。
.人們最早研制的引力波探測(cè)器是棒狀結(jié)構(gòu)的。因?yàn)橐Σㄍㄟ^時(shí)空間會(huì)發(fā)生變形便構(gòu)成物質(zhì)的原子像彈簧那樣振動(dòng),所以物理學(xué)家們利用這一現(xiàn)象研制成許多棒狀探測(cè)器。為了探測(cè)到引力波引起的振動(dòng)就得將掩蓋了這種振動(dòng)的原子熱擾動(dòng)減到最低,棒被浸入液氦中保持在低于絕對(duì)溫度4度的條件下。為了隔絕地面的震動(dòng)干擾裝置使用尖端懸掛技術(shù)與地面隔離。目前在世界上投入運(yùn)轉(zhuǎn)的棒狀探測(cè)器有5個(gè),意大利有2個(gè)。另外3個(gè)分別在瑞士的日內(nèi)瓦、美國(guó)的巴吞魯日和澳大利亞的珀斯。
棒狀探測(cè)器是體積很小的儀器,長(zhǎng)度只有3米。如果同引力波干涉天線相比的話,其建造和管理費(fèi)用是很低的。但這種設(shè)備的靈敏度很低,因?yàn)樗鼈儗?duì)引力波頻率最靈敏區(qū)間為50-900赫茲,而“室女座”的探測(cè)范圍是10-6000赫茲。宇宙中的引力波源.所有加速運(yùn)動(dòng)的物體都能輻射出引力波但在多數(shù)情況下引力波強(qiáng)度非常弱任何工具都難以檢測(cè)到。唯一還算得上較強(qiáng)的引力波源是由宇宙中的災(zāi)變事件產(chǎn)生的如超新星爆發(fā)或者兩顆中子星的相撞等。
中子星的質(zhì)量與太陽差不多但直徑卻只有幾公里。在銀河系中存在有很多由一對(duì)中子星構(gòu)成的系統(tǒng)這些中子星圍繞著共同的引力中心運(yùn)轉(zhuǎn)并越來越靠近直到撞到一起。在這個(gè)過程中它們運(yùn)轉(zhuǎn)的速度逐漸增大并輻射出比較強(qiáng)的引力波。當(dāng)一個(gè)巨大的物體被黑洞吞噬時(shí)也會(huì)發(fā)生類似現(xiàn)象。
最后宇宙仍然充滿了由大爆炸產(chǎn)生的原始引力波。如果科學(xué)家能夠捕捉到它們并對(duì)其加以分析就有可能驗(yàn)證超弦理論的有效性。這個(gè)理論認(rèn)為我們已認(rèn)識(shí)的所有粒子都是由微小的弦振動(dòng)產(chǎn)生的。用激光和鏡子捕捉引力波.任何有質(zhì)量的物體,不管它是恒星還是一個(gè)乒乓球,周圍都存在引力場(chǎng)。當(dāng)物體靜止不動(dòng)或者勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)引力場(chǎng)是穩(wěn)定的。如果有作用力施加到物體上將會(huì)改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比如球與球拍相撞,這時(shí)物體周圍的引力場(chǎng)就會(huì)受到擾動(dòng),這種擾動(dòng)就會(huì)以波的形態(tài)傳播開來就像往平靜的池塘水面投進(jìn)一塊石頭一樣。
當(dāng)引為波經(jīng)過時(shí),時(shí)空結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變形:收縮或擴(kuò)張。任何兩個(gè)物體之間的距離在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)變小或增大,但這種變化是很小的。一次超新星爆發(fā)產(chǎn)生的引力波在通過像太陽與地球那樣的距離的兩個(gè)物體時(shí)引起的兩個(gè)物體間的距離變化只相當(dāng)于一個(gè)原子直徑的大小。要測(cè)量這樣微小的量就需要有特別精確靈敏的工具比如像室女座引力波干涉天線那樣的探測(cè)設(shè)備。室女座由兩條各長(zhǎng)3公里的金屬導(dǎo)管構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu),兩條導(dǎo)管垂直相匯于一端。在兩條導(dǎo)管相匯處的金屬塔中一束激光被一面半透鏡一分為二,每一束激光都分別進(jìn)入一個(gè)導(dǎo)管射向另一端,在那里被一面反射鏡反射回來,然后又被這一端的反射鏡反射回去。最終兩束激光回到金屬塔中被合并到一起。兩束激光重疊后的強(qiáng)度取決于兩束激光中的每一束光從被分開到重新匯合期間通過的路徑長(zhǎng)度。
如果一個(gè)引力波撞到了“室女座并引起兩翼中的一翼的長(zhǎng)度發(fā)生變化那么重疊的光強(qiáng)度就發(fā)生變化,這個(gè)變化會(huì)被計(jì)算機(jī)記錄下來。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中反射鏡的位置是按以下的原則確定的:當(dāng)兩束激光匯合時(shí)正好使它們的相位相反,從而相互抵消呈現(xiàn)黑暗。而一旦出現(xiàn)光信號(hào)就表明有引力波通過。
由于光束經(jīng)過的路徑越長(zhǎng),引力波產(chǎn)生的效應(yīng)越大所以激光束在‘室女座’內(nèi)反射幾十次。這種使光線來回反射的裝置叫法布里──珀羅干涉腔。激光束在其中反射幾十次,直到實(shí)際路程達(dá)到120公里。
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