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月亮:没想到吧,我也能帮忙探测引力波!

 翠竹明月 2023-11-26 发表于四川

引力波是一种由质量加速运动产生的时空扰动,它以光速向外传播,携带着关于其源头的信息。引力波的存在是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言,但直到2015年,人类才首次直接探测到引力波,这是由两个黑洞合并产生的。从那以后,人类又探测到了更多的引力波事件,包括双中子星合并和黑洞-中子星合并。

这些事件都发生在频率为几十至几百赫兹的范围内,这是目前地面上的引力波探测器,如LIGO和Virgo,能够探测到的频率范围。然而,引力波的频率范围是非常广泛的,从10⁻¹⁸赫兹到10¹⁰赫兹,不同的频段对应着不同的天体物理过程和宇宙学机制。为了探测不同频段的引力波,我们需要不同类型的探测器。

例如,为了探测频率为10⁻⁹至10⁻⁷赫兹的引力波,我们可以利用脉冲星计时阵列,这是一种利用脉冲星的稳定的脉冲信号来测量引力波对时空的微小扭曲的方法。为了探测频率为10⁻⁵至1赫兹的引力波,我们可以利用太空中的激光干涉仪,这是一种利用太空中的三颗卫星组成的三角形来测量引力波对激光光程的微小变化的方法。这些探测器都是目前正在研发或计划中的项目。

那么,有没有一种方法可以探测频率为0.1至10赫兹的引力波呢?这个频段的引力波有什么科学意义呢?这就是北京师范大学最近一篇论文所研究的。他们提出了一个有趣的想法,那就是利用月球作为一个巨大的共振棒,来响应引力波的激励。

那么,月球怎么能作为一个共振棒呢?这里我们要借鉴一个早期的探测引力波的方法,即韦伯棒。韦伯棒是一根金属棒,它有一个固有的振动频率,当引力波通过时,它会在这个频率附近产生应力,从而改变它的电阻,这样就可以通过测量电阻的变化来探测引力波。类似地,月球也有一个固有的振动频率,约为0.2赫兹,当引力波通过时,它会在这个频率附近产生形变,从而改变它的表面位移,这样就可以通过测量表面位移的变化来探测引力波。当然,月球的形变很小,大约是10⁻¹²米,所以我们需要一种高灵敏度的测量方法,这就是干涉仪地震仪的作用。

月亮:没想到吧,我也能帮忙探测引力波!

干涉仪地震仪是一种利用激光干涉原理来测量微小位移的仪器,它由两个相距一定距离的反射镜和一个激光器组成,激光器发出的光束被分成两束,分别照射到两个反射镜上,然后再反射回来,重合在一个探测器上,由于两束光的行程不同,它们会产生干涉条纹,当反射镜的位置发生变化时,干涉条纹的亮度也会发生变化,这样就可以通过测量亮度的变化来测量位移的变化。这种仪器的灵敏度可以达到10¹米,足以探测月球的形变。

为了探测引力波,我们需要在月球表面布置一个干涉仪地震仪阵列,这个阵列由四个干涉仪地震仪组成,它们分别位于月球正面的四个角落,形成一个正方形,每个边长约为1000公里,这样就可以覆盖月球正面的大部分区域。这个阵列的优点是,它可以同时测量两个不同的引力波极化模式,即加号模式和交叉模式,这样就可以提高探测效率和区分能力。另外,这个阵列还可以通过比较不同地点的位移信号,来消除一些非引力波的噪声,比如月球的自转、潮汐或地震等。

月亮:没想到吧,我也能帮忙探测引力波!

这个实验方案的难点是,它需要在月球表面安装和维护这些仪器,这就需要有人类的参与,或者至少有高度自主的机器人。所以这个方案和中国的载人登月计划有关,因为我国计划在2029年前后实现人类登陆月球,并在月球正面建立一个科学基地。如果这个计划能够实现,那么这个实验方案就有了一个很好的契机,因为它可以利用我国的载人登月平台,来运输和部署这些仪器,以及提供必要的能源和通讯支持。当然,这个实验方案也可以和其他国家或机构的月球探测计划合作,只要它们能够提供相应的条件和资源。

这个实验方案的意义是,它可以探测到一些目前还无法探测到的引力波源,比如Ia型超新星的前身或中等质量黑洞。这些源对于理解宇宙的演化和结构有重要的作用,比如Ia型超新星是一种标准烛光,它可以用来测量宇宙的膨胀速度和加速度,从而揭示宇宙中的暗能量的性质。而中等质量黑洞是一种神秘的天体,它的存在性和形成机制还不清楚,它可能是星系核活动的动力源,也可能是超大质量黑洞的种子。通过探测它们产生的引力波,我们可以获得它们的质量、自旋和位置等信息,从而增进我们对它们的认识。

总之,北京师范大学提出了一个利用月球作为一个引力波探测器的创新的方案,它可以填补目前引力波探测的一个空白,同时也可以为天体物理和宇宙学提供新的信息和见解。这个方案是可行的,也是有价值的,值得我们进一步的研究和实施。


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