引力波本质及其探测原理和探测技术

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　　摘   要：引力波的成果探测不仅验证了已故科学家爱因斯坦的预言，更是提供一种观测极早期宇宙的方式。大多数人对引力波的本质所知甚少，现今的探测器庞大又昂贵，大大限制了对引力波的研究。本文从讨论引力波产生过程和传播方式，解密了引力波波的特性，进而阐述其本质。本文还在引力波现有的探测技术的展示过程中讨论其探测原理，最后根据引力波本质特性探讨新的探测技术——基于超材料特性的微型引力波探测器。该探测器能够满足一般研究团体对不同波段的引力波进行探测，为解密宇宙奥秘提供了更可观的选择。
　　关键词：引力波  辐射横波  激光干涉探测技术  等离子诱导吸收
　　中图分类号：N032                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0098-03
　　《回溯时间：引力波能让我们窥见宇宙创生时刻吗？》报道，美国LIGO实验成功探测到13亿光年之外两个质量分别为36个太阳质量和29个太阳质量的黑洞在合并过程中产生的引力波信号[1]。这两个黑洞在合并之后，形成一个质量为62倍太阳质量的黑洞，那么剩余的3倍太阳质量哪里去了？答案便是这强大的引力波。引力波是什么？
　　“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？”引力波实质是什么？
　　2016—2018年期间，激光干涉引力波天文台（LIGO-Virgo）相继报道了11次引力波探测的重大事件[2-3]。這些引力波都是处在几十到几百赫兹的中频信号，它们是由离地球十几亿光年甚至几十亿光年的双黑洞或双中子星的合并而产生的引力波。激光干涉探测引力波究竟是什么原理？耗资不菲的激光干涉探测是否有较为廉价的技术替代？
　　本文从讨论引力波产生过程和传播方式，解密引力波波的特性，进而阐述其本质。本文还在引力波现有的探测技术的展示过程中讨论起探测原理，并根据引力波本质特性探讨新的探测技术。
　　1  解密引力波
　　任何质量加速的物体（在科学上意味着以可变速率改变位置，包括旋转和轨道物体）会产生引力波。这包括人类，汽车和飞机等，但我们在地球上制造的引力波太小而无法探测到[4]。由于我们无法在地球上产生可探测的引力波，因此研究它们的唯一方法是观察宇宙中自然界产生的引力波。这主要是因为任何质量加速的物体产生的能力与其本身的质量有关，如公式1所示[5]。没错，这就是爱因斯坦最为著名的质能方程。这也表明引力波本身是一种辐射，一种能量辐射。
　　E=Mc2                                                                      （1）
　　宇宙充满了令人难以置信的巨大物体，这些物体经历了快速的加速（诸如黑洞，中子星和生命末端的星星爆炸）。LIGO科学家已经定义了四类引力波，以便了解这些物体可能产生的引力波的类型[6]。每一个都为LIGO的干涉仪产生独特的“指纹”或特征振动特征可以感知到，研究人员可以在LIGO的数据中寻找。这些类别是：连续引力波，紧凑二元激励引力波，随机引力波和爆发引力波。
　　而无论是哪一类引力波，从它传输的方式，它都是一种横波。引力的显著特点——向心。可以说，引力波是物体存在引力的原因。引力是向心的、弯曲的，那么引力波也是向心的、弯曲的。一般情况下，我们认为辐射是直线传播的，那是因为物体的辐射半径较大，被误认为是直线传播。其实，宇宙间根本不存在绝对的直线传播或运动，即辐射（光粒子）的传播也是弯曲的[7]。辐射弯曲传播的原因是：宇宙间不存在不自转的物体，物体的自转是辐射向心弯曲。课件形成引力场的条件包括辐射和自转，缺一不可。
　　从引力波产生和传播可以得到引力波是一种带有自旋辐射的横波，它的特性包括了爱因斯坦对光的解释，即波粒二象性。而且引力波在真空中传播的速度也与光速一样，这使得不少人觉得引力波也是电磁波的一种[8]。
　　可以说引力波和电磁波并不是一样的，引力波是弯曲的辐射，它的引力子就是辐射粒子或称辐射量子。引力波以引力辐射的形式在宇宙中传播，是时空结构本身的变化。所以说引力波（就是弯曲的辐射）早已被发现，只是我们熟视无睹不知道辐射的本质之一就是引力波、时空涟漪，辐射粒子就是引力子。其实，任何物体都会发射引力波，并且引力波的强度和发射物体的距离的平方成反比，这一能量与距离平方反比规律与电磁波的竟一模一样，如公式2所示。天体合并时辐射较强，引力波也较强;天体正常运行时辐射较弱，引力波也较弱，此时引力波更不容易被检测、观测到。但是通过与电磁波的比较，在很多方面它们的特性都相同。 　　2  引力波探测技术与原理分析
　　2.1 共振质量探测器
　　“共振质量探测器”分为两类：“棒状探测器”与“球状探测器”[9]。棒状探测器的灵敏度主要源自于圆柱体尖锐的共振频率，其半峰全宽通常只有一到几个赫兹。通常铝质圆柱体长约3m，共振频率大约在500Hz至1.5kHz之间，质量约为1000kg，用细丝悬挂起来。当引力波照射到圆柱时，圆柱会发生谐振，继而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。假设一个波幅为的短暂引力波照射到圆柱，则圆柱会被震动，震幅为
　　共振质量探测器主要会遭遇到三种噪声：热噪声、传感噪声和量子噪声。为了要测量到引力波的波幅，必须尽量削减这些燥声。原本的韦伯棒状探测器的运作温度为室温。为了削减热燥声，当今，最先进的棒状探测器之一AURIGA的运作温度为0.1K。
　　2.2 激光干涉仪探测器
　　LIGO 使用的干涉仪是迈克耳孙干涉仪，其应用激光光束来测量两条相户垂直的干涉臂的长度差变化。在通常情况下，不同长度的干涉臂会对同样的引力波产生不同的响应，因此干涉仪很适于探测引力波。在每一种干涉仪里，通过激光光束来量度引力波所导致的变化，可以用数学公式来描述;换句话说，假设从激光器发射出的光束，在传播距离L之后，被反射镜反射回原点，其来回过程中若受到引力波影响，则行程所用时间将发生改变，这种时间变化可以用数学公式来坐定量描述，如图2所示[10]。更仔细地描述，假设一束引力波是振幅为h的平面波，其传播方向与激光器的光束传播方向的夹角为θ，并假设光束的发射时间与返回时间分别为t、，则返回时间对发射时间的变化率为。
　　伯纳德·舒尔茨把这一公式称作“三项公式”，其为分析所有干涉仪对信号响应的出发点。单径系统也可以使用三项公式 ，但其灵敏度是被时钟的稳定性所限制。干涉仪的两条干涉臂可以相互用来当做时钟比较，因此，干涉仪是非常灵敏的光束探测器。
　　光束只需10-5s就可以走完干涉臂的往返距离，这比一般典型的引力波周期要短很多。因此，让激光在这段距离内反复多走几次也不会影响观测，而且有显著的好处。如果让激光在这段距离内往返100次，则有效光程长度提高了100倍，而特定激光相位变化等效的长度变化也因此提升到10～16m的量级。大多数干涉仪都使用低透射率平面镜制成的光学腔，即所谓法布里-珀罗干涉仪，来提升激光在干涉臂内的往返次数[11]。
　　在低频波段（低于1Hz），任何引力波源的低频引力波到达地球时，振幅都会比地球上的震动噪声低很多;处于太空中的探测器则不会受到地球噪声环境的影响[12]。主要影响激光干涉仪的噪声可以分为两大类：“位移噪声”与“传感噪声”。位移噪声是因实验器具的移动而形成的噪声，例如，地噪声、热噪声[13]。传感噪声是对于实验器具的微小位移所进行的量度而产生的噪声，例如，散粒噪声[14]。因而激光空间干涉逐渐成为探测引力波的主流，这以一般学者或者一般研究团体是很难实现的探测条件。
　　3  基于超材料特性的微型引力波探测器
　　基于超材料特性的微型引力波探测器与共振质量探测器有点类似，都是利用引力波对物体产生共振，但是基于超材料特性的微型引力波探测器是利用了引力波在超材料上产生的等离子诱导吸收。表面等离激元（SPPs）作为一种非常特别的电磁波，其特征鲜明，具有广泛的可适性。同时，表面等离激元是入射光子与金属表面自由电子相互作用形成的非辐射电磁模式。而表面等离激元其中最基本的特征参数有：波长、传播长度及穿透深度[15]。基于对电磁波和引力波特性的比较可以预测引力波也为一种带有自旋特性的SPPs，能够对超材料中的金属颗粒产生诱导吸收效应。虽然引力波不是电磁波，我们也可以借助于电磁学研究工具时域有限差分法（FDTD，Finite-Difference Time-Domain）对引力波在超材料上引发的诱导吸收效应进行仿真。
　　本文采用的是石墨烯/二氧化硅颗粒/石墨烯/银颗粒/石墨烯/二氧化硅颗粒/石墨烯结构的超材料，如图3所示。其中中间三层，即石墨烯/银颗粒/石墨烯是引力波诱导激发模块，而两边的石墨烯/二氧化硅颗粒作为探测接入点，就像极其微小电容器一样。当没有引力波进入探测器时，中间诱导激发模块无变化，那么接入点就不会产生电磁信号的变化;当有引力波进入探测器时，中间诱导激发模块吸收引力波能量而发生变化，接入点就相应产生电磁信号的变化。而引力波的频率由银颗粒大小d呈现，即大小一定的银颗粒有着它特定的诱导激发的频率;引力波的幅值，即能量大小有接入点引起的电磁信号呈现。具体探测器的设置、仿真和结果本文不做详细阐述。
　　4  结语
　　本文通过将引力波和电磁波进行特性对比，解密了引力波具有很多与电磁波相同的特性，归纳有都具有波粒二象性，也就是都是横波，都以某种粒子传播能量;都具有距离平方反比的能量传送特性;都能对超材料引发围观的“共振”现象，即等离子诱导激发效应。本文还就现有的共振质量探测器和激光干涉探测器原理进行了分析与讨论，展现出两种探测器的局限性。最后以电磁波探测器为参照，设计出基于超材料特性的微型引力波探测器。虽然未对该探测器进行具体研究，但是基本上展示了探测器结构模型和探测原理，这对引力波的探测另辟蹊径。
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