物理學(xué)家獲得NSF資助以繼續(xù)引力波探測器研究

2023 年 3 月，先進(jìn)激光干涉儀引力波天文臺 (LIGO) 將開始其為期四年的觀測期。位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的科學(xué)家們在過去兩年中一直在進(jìn)行硬件和軟件升級，以提高探測器的靈敏度，使它們能夠感知“微弱”的引力波，從而探測到比以往更多的事件。

與此同時，高級 LIGO 團(tuán)隊的成員正在不斷改進(jìn)未來幾年的未來觀察期。Stefan W. Ballmer是藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授，他是幫助設(shè)計和建造 LIGO 探測器的團(tuán)隊的成員。

為了繼續(xù)這項工作，鮑爾默最近獲得了 555,000 美元的美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 撥款，用于開發(fā)用于檢測光學(xué)腔失配的技術(shù)和用于下一代探測器懸架的致動器，這是對引力波天體物理學(xué)探測器技術(shù)的資助更新。

該獎項還為鮑爾默的博士生提供支持，包括目前在漢福德現(xiàn)場的 Elenna Capote，幫助調(diào)整探測器對準(zhǔn)和控制系統(tǒng)，以確保探測器按設(shè)計運行。

“這些探測器是復(fù)雜的機器，有數(shù)千個控制回路，保持四個主鏡和另外 30 個懸掛鏡對齊并控制長度以保持光共振，”鮑爾默說。“每次你做出改變，它真的變成了一個必須重新調(diào)整的新探測器。”

LIGO 的工作原理

LIGO 使用一對稱為干涉儀的巨型激光探測器，位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓，相距 1,900 英里。每個探測器都包含兩個 2.5 英里長的真空臂——相互垂直的管子。一束強大的激光束被分成兩束并沿著手臂發(fā)射。末端的鏡子將光反射回激光束分離的位置。由于臂的長度相同，因此光到達(dá)每個隧道盡頭的鏡子并返回時應(yīng)該花費完全相同的時間。但是如果引力波穿過地球，它會改變鏡子之間的距離，導(dǎo)致光束在不同的時間返回。

通過比較兩束光束，LIGO 能夠測量由引力波引起的時空拉伸，這是 2015 年首次進(jìn)行的開創(chuàng)性觀察，首次物理確認(rèn)了距離近 13 億光年的兩個黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波。

根據(jù)鮑爾默的說法，2.5 英里長的手臂中的激光功率越高，科學(xué)家們就能更準(zhǔn)確地確定手臂的運動。但是目前可以使用的激光功率量受到探測器光學(xué)系統(tǒng)缺陷的限制。“從探測器返回的激光的光學(xué)相位前沿可能會因鏡子中的熱效應(yīng)而變形，”他說。