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引力波像池塘中的漣漪一樣在空間和時間中傳播,在穿過時扭曲宇宙的結構。最大的波來自宇宙中最劇烈的事件:恆星爆炸、黑洞合併以及宇宙學歷史中最初的劇烈時刻。或者,廣義相對論的古老理論是這樣認為的——儘管阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論的許多預測都已得到證實,但只發現了引力波的間接證據。
一項直接尋找引力波的實驗,在沒有找到它們的過程中,對宇宙引力波背景的噪聲程度設定了新的上限。研究人員表示,這些限制可以改進甚至排除那些預測早期宇宙過程中產生的大背景的宇宙學模型,並且隨著被稱為雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 的實驗靈敏度的提高,應該會有更多的意義。
LIGO 團隊與歐洲 Virgo 合作組織合作,在近期出版的《自然》雜誌上發表了其在 2005 年至 2007 年間收集的資料的研究結果。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)
明尼蘇達大學的天體物理學家和 LIGO 團隊成員 Vuk Mandic 表示,該天文臺正在提供該領域未來發展的先兆。 Mandic 說:“這是首次直接搜尋引力波的此類實驗達到足以開始探測宇宙學和早期宇宙模型的靈敏度。”
LIGO 包括位於華盛頓州和路易斯安那州的兩個天文臺,每個天文臺都設有一個帶有四公里長臂的 L 形雷射干涉儀。從彎頭處發出的雷射束分成兩束,分別沿著每個臂傳播,然後在末端的反射鏡反射回來。
經過的引力波會暫時拉伸探測器的一個臂,同時擠壓另一個臂,並且當重新組合時,已經穿過不同距離的兩束光束將不同相。
LIGO 研究人員面臨的挑戰是巨大的——正如加州理工學院物理學家 Marc Kamionkowski 在一篇評論新論文的文章中指出的那樣,引力波探測器“需要探測微小的變化——僅僅是原子核大小的一小部分——在自由浮動質量之間公里級的間隔中。”
為了排除虛假訊號,LIGO 擁有一整套被動和主動噪聲抑制器,以抵消過往行人或卡車的振動影響。 例如,每個臂末端的反射鏡都懸掛在擺錘上,以將它們與振動隔離,而天文臺即將進行的改進(稱為 Advanced LIGO)將把四個擺錘串聯在一起,以倍增其抑制效果,Mandic 說。
另一方面,來自地震活動的噪聲可以透過在相對較高的頻率下搜尋引力波來抑制——LIGO 論文設定了引力波在 100 赫茲左右頻段的限制,即每秒週期,而地震噪聲通常低於 25 赫茲。
透過將 LIGO 過去的限制提高一個數量級,Mandic 和他的同事進一步限制了宇宙最初時刻出現的引力波背景的幅度。 這種背景,就像宇宙微波背景——它為宇宙學家提供了對宇宙年齡的最佳估計——應該充滿了關於早期宇宙的資訊。 但引力波具有獨特的價值:它們攜帶有關大爆炸後至關重要的最初一分鐘的資訊——比我們目前可以探測到的時間更早。