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引力波像池塘中的涟漪一样在空间和时间中传播,在穿过时扭曲宇宙的结构。最大的波来自宇宙中最剧烈的事件:恒星爆炸、黑洞合并以及宇宙学历史中最初的剧烈时刻。或者,广义相对论的古老理论是这样认为的——尽管阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论的许多预测都已得到证实,但只发现了引力波的间接证据。
一项直接寻找引力波的实验,在没有找到它们的过程中,对宇宙引力波背景的噪声程度设置了新的上限。研究人员表示,这些限制可以改进甚至排除那些预测早期宇宙过程中产生的大背景的宇宙学模型,并且随着被称为激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的实验灵敏度的提高,应该会有更多的意义。
LIGO 团队与欧洲 Virgo 合作组织合作,在近期出版的《自然》杂志上发表了其在 2005 年至 2007 年间收集的数据的研究结果。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
明尼苏达大学的天体物理学家和 LIGO 团队成员 Vuk Mandic 表示,该天文台正在提供该领域未来发展的先兆。 Mandic 说:“这是首次直接搜索引力波的此类实验达到足以开始探测宇宙学和早期宇宙模型的灵敏度。”
LIGO 包括位于华盛顿州和路易斯安那州的两个天文台,每个天文台都设有一个带有四公里长臂的 L 形激光干涉仪。从弯头处发出的激光束分成两束,分别沿着每个臂传播,然后在末端的反射镜反射回来。
经过的引力波会暂时拉伸探测器的一个臂,同时挤压另一个臂,并且当重新组合时,已经穿过不同距离的两束光束将不同相。
LIGO 研究人员面临的挑战是巨大的——正如加州理工学院物理学家 Marc Kamionkowski 在一篇评论新论文的文章中指出的那样,引力波探测器“需要探测微小的变化——仅仅是原子核大小的一小部分——在自由浮动质量之间公里级的间隔中。”
为了排除虚假信号,LIGO 拥有一整套被动和主动噪声抑制器,以抵消过往行人或卡车的振动影响。 例如,每个臂末端的反射镜都悬挂在摆锤上,以将它们与振动隔离,而天文台即将进行的改进(称为 Advanced LIGO)将把四个摆锤串联在一起,以倍增其抑制效果,Mandic 说。
另一方面,来自地震活动的噪声可以通过在相对较高的频率下搜索引力波来抑制——LIGO 论文设定了引力波在 100 赫兹左右频段的限制,即每秒周期,而地震噪声通常低于 25 赫兹。
通过将 LIGO 过去的限制提高一个数量级,Mandic 和他的同事进一步限制了宇宙最初时刻出现的引力波背景的幅度。 这种背景,就像宇宙微波背景——它为宇宙学家提供了对宇宙年龄的最佳估计——应该充满了关于早期宇宙的信息。 但引力波具有独特的价值:它们携带有关大爆炸后至关重要的最初一分钟的信息——比我们目前可以探测到的时间更早。