Phát hiện sóng hấp dẫn

Sóng hấp dẫn được phát hiện bằng cách đo những thay đổi nhỏ mà chúng gây ra trong độ dài tương đối của các cánh tay vuông góc của giao thoa kế laser khổng lồ, một thành tựu lần đầu tiên đạt được bởi LIGO vào năm 2015.

Definition

Phát hiện sóng hấp dẫn là phép đo biến dạng, sự thay đổi phân số về khoảng cách, được tạo ra bởi một sóng đi qua, được thực hiện bằng giao thoa kế laser trên các đường cơ sở quy mô kilômét trên mặt đất, bằng các giao thoa kế không gian đã được lên kế hoạch, và bằng các mảng định thời của các pulsar miligiây ở tần số rất thấp.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguyên lý phát hiện giao thoa, phản ứng của giao thoa kế hình chữ L với biến dạng sóng, các nguồn nhiễu chủ yếu (nhiễu địa chấn, nhiệt và nhiễu lượng tử) và các kỹ thuật được sử dụng để triệt tiêu chúng, mạng lưới máy dò toàn cầu (LIGO, Virgo, KAGRA) và các đài quan sát không gian và định thời pulsar đã được lên kế hoạch, cũng như phân tích dữ liệu lọc khớp được sử dụng để tách tín hiệu khỏi nhiễu.

Core questions

• Làm thế nào một giao thoa kế laser chuyển đổi biến dạng không thời gian thành một tín hiệu có thể đo được?
• Những nguồn nhiễu nào giới hạn độ nhạy và làm thế nào để khắc phục chúng?
• Làm thế nào để xác định các tín hiệu yếu trong nhiễu của máy dò?

Key concepts

• Giao thoa kế laser
• Độ nhạy biến dạng
• Nhiễu địa chấn và nhiệt
• Nhiễu lượng tử
• Mạng lưới máy dò và phép tam giác
• Lọc khớp

Key theories

Đo biến dạng giao thoa

Một sóng đi qua làm thay đổi độ dài của hai cánh tay giao thoa kế vuông góc theo hướng ngược nhau, làm dịch chuyển sự giao thoa của ánh sáng laser được tái kết hợp, do đó sự dịch pha đo được là một chỉ số trực tiếp của biến dạng sóng hấp dẫn.

Phát hiện lọc khớp

Vì các dạng sóng dự kiến có thể được tính toán trước, các tín hiệu nằm dưới nhiễu rất nhiều được trích xuất bằng cách tương quan dữ liệu với các ngân hàng mẫu lý thuyết, kỹ thuật đã xác nhận vụ sáp nhập lỗ đen đầu tiên.

Clinical relevance

Công nghệ phát hiện xác định những gì thiên văn học sóng hấp dẫn có thể quan sát: các giao thoa kế trên mặt đất bao phủ dải âm thanh của các vụ sáp nhập khối lượng sao, các sứ mệnh không gian đã được lên kế hoạch sẽ đạt đến tần số thấp hơn cho các hệ nhị phân lỗ đen khối lượng lớn, và các mảng định thời pulsar thăm dò sóng nanohertz từ các cặp lỗ đen siêu khối lượng, cùng nhau bao phủ phổ sóng hấp dẫn.

History

Những nỗ lực của Joseph Weber với thanh cộng hưởng vào những năm 1960 đã thúc đẩy lĩnh vực này; Weiss đã hình thành phương pháp giao thoa vào đầu những năm 1970, và sau nhiều thập kỷ phát triển, LIGO đã đạt được phát hiện trực tiếp đầu tiên vào tháng 9 năm 2015, một thành tựu được công nhận bởi Giải Nobel năm 2017 cho Weiss, Thorne và Barish.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

Làm thế nào các máy dò có thể đo một sự thay đổi độ dài nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử?

Bằng cách sử dụng các cánh tay dài hàng kilômét, laser ổn định công suất cao được phản xạ hàng nghìn lần, và sự cách ly cực đoan khỏi nhiễu địa chấn và nhiệt, các giao thoa kế cảm nhận sự thay đổi độ dài cánh tay vi sai cỡ 10^-18 mét mà một sóng hấp dẫn tạo ra.

Tại sao cần nhiều máy dò thay vì một?

Một mạng lưới xác nhận rằng một tín hiệu là từ vũ trụ chứ không phải nhiễu cục bộ và, bằng cách so sánh thời gian đến giữa các địa điểm cách xa nhau, định vị nguồn trên bầu trời, điều này rất cần thiết để hướng kính thiên văn cho việc theo dõi đa thông điệp.