一個微小的晶體裝置可以增強(qiáng)引力波探測器，以探聽黑洞的轟鳴

黑洞周圍引力波的插圖。

(圖片來源:美國國家科學(xué)基金會/激光干涉引力波天文臺 /索諾瑪州立大學(xué)/ 西蒙，作者提供)

本文最初發(fā)表于《對話》。該刊物向太空網(wǎng)的《專家之聲:觀點與見解》投稿。

2017年，天文學(xué)家首次見證了黑洞的誕生。引力波探測器捕捉到了由兩顆中子星碰撞形成黑洞而引起的時空漣漪，其他望遠(yuǎn)鏡隨后觀測到了由此產(chǎn)生的爆炸。

黑洞形成的本質(zhì)，即物質(zhì)在被封閉在黑洞視界內(nèi)之前的瞬間運動，卻沒有被觀測到。因為在最后時刻釋放出來的引力波頻率太高，目前的探測器無法捕捉到它們。

如果你能觀察到普通物質(zhì)變成黑洞的過程，你會看到類似于大爆炸的回放。設(shè)計引力波探測器的科學(xué)家們一直在努力研究如何改進(jìn)探測器，使之成為可能。

今天，我們的團(tuán)隊發(fā)表了一篇論文，做了整個技術(shù)展示。我們的建議可以使探測器對我們需要的高頻的靈敏度提高40倍，讓天文學(xué)家能夠聽到形成黑洞的

物質(zhì)。

它涉及到創(chuàng)造一種混合了兩種量子振動的奇怪的新能量包(或“量子”)?；谶@項技術(shù)的設(shè)備可以添加到現(xiàn)有的引力波探測器，以獲得所需的額外靈敏度。

量子問題

像美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)這樣的引力波探測器使用激光來測量兩個反射鏡之間難以置信的微小距離變化。因為它們測量的變化比單個質(zhì)子的大小小1000倍，量子力學(xué)的影響——單個物理量子或能量粒子——在探測器的工作中扮演著重要的角色。

其中包含兩種不同的量子能量包，這兩種能量包是阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)言的。1905年，他預(yù)測光以能量包的形式出現(xiàn)，我們稱之為光子;兩年后，他預(yù)測熱量和聲能以被稱為聲子的能量包的形式存在。

光子在現(xiàn)代技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，聲子的利用要復(fù)雜得多。單個聲子通常被大量隨機(jī)的聲子淹沒，聲子的熱量來自于它們周圍的環(huán)境。引力波探測器下，聲子在探測器的反射鏡中彈跳，降低了它們的靈敏度。

五年前，物理學(xué)家們意識到，可以通過將聲子和光子結(jié)合起來的設(shè)備來解決在高頻下靈敏度不足的問題。他們表明，在具有聲子和光子特性的量子包中攜帶能量的設(shè)備可以具有相當(dāng)顯著的特性。

這些設(shè)備將徹底改變我們熟悉的“共振放大”概念。共振放大即當(dāng)你在操場上推秋千時所做的:如果在正確的時間推，你所有的小推力都會產(chǎn)生一個大的秋千。

這種“白光腔”的新設(shè)備將均等放大所有頻率。就像一個秋千，可以在任何時間推動，都以大的結(jié)果結(jié)束。

然而，還沒有人研究出如何制造這種裝置，因為它內(nèi)部的聲子會被熱引起的隨機(jī)振動所壓制。

量子的解決方案

在我們發(fā)表在《通信物理學(xué)》上的論文中，我們展示了目前正在進(jìn)行的兩個不同的項目是如何完成這項工作的。

位于哥本哈根的尼爾斯·玻爾研究所(Niels Bohr Institute)一直在開發(fā)一種名為聲子晶體的裝置，這種裝置的熱振動是由一種切割成薄膜的晶體狀結(jié)構(gòu)控制的。澳大利亞卓越量子系統(tǒng)工程中心也展示了另一種系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，聲子被困在一個超純石英透鏡中。

我們表明，這兩種系統(tǒng)都滿足了創(chuàng)造白光腔所需的“負(fù)色散”的要求——即以反向彩虹圖案傳播光頻率。

這兩個系統(tǒng)，如果加到現(xiàn)有引力波探測器的后端，將會把幾千赫茲頻率的靈敏度提高40倍或更多，這是聆聽黑洞誕生所需的。

接下來是什么?

我們的研究不能立即解決引力波探測器的問題。要把這些設(shè)備使用在實用領(lǐng)域，還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。但它提供了一條途徑，將觀測黑洞形成所需的引力波探測器改進(jìn)40倍。

天體物理學(xué)家預(yù)測，中子星在形成黑洞時發(fā)生的抽搐會產(chǎn)生復(fù)雜的引力波。這些引力波可以讓我們監(jiān)聽到坍縮中子星的核物理。

例如，它們可以清楚地揭示恒星中的中子是保持中子的狀態(tài)，還是分裂成夸克的海洋，夸克是最微小的亞原子粒子。如果我們能觀察到中子變成夸克然后消失在黑洞奇點中，這將與奇點外大爆炸論完全相反，它認(rèn)為粒子出現(xiàn)，然后創(chuàng)造了宇宙。

BY:David Blair

FY:jane

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