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[影音] 梶田隆章:「重力波侦测-The KAGRA pro

2020-06-09

[影音] 梶田隆章:「重力波偵測-The KAGRA project」講座

◕ 讲题:「The KAGRA project」(重力波侦测)

◕ 时间:2015/12/21(一) 15:30

◕ 地点:中研院物理所大猷馆演讲厅

◕ 讲者:东京大学宇宙射线研究所 梶田隆章教授


2015年甫出炉的诺贝尔物理奖得主梶田隆章教授于12月21日莅临中央研究院物理所的演讲,介绍了日本测量重力波的前沿研究,特别是KAGRA侦测器(神乐)侦测器的建造进度与营运目标,以及加入全球重力波网路的未来规画。

早在1916年,爱因斯坦提出广义相对论一年之后,爱氏预测了重力波的存在。那幺重力波到底是什幺?或是说重力波可能是怎幺产生的?从古典电磁学出发,带电粒子加速运动会放出电磁辐射。相同地,带有质量的天体加速运动,会辐射出重力波。换言之,由能量或质量分布所决定的时空结构,将因着能量或质量分布的巨大扰动,产生涟漪般的波动。但是爱氏也同时也提到重力波可能太微弱,而恐怕无法观测到,否则人类可能早从月球绕地获知重力波的存在。

重力波的追寻,直接关乎广义相对论的正确性和人类对时空的了解。从1920年起,兴起追寻重力波的热潮,然而四十年过去了,结果叫人沮丧,引出了争辩不休的正反学说[1]。1969年似乎出现了报春讯的知更鸟。Joseph Weber 教授架设了数个相距千里铝棒,应变灵敏度能达  10−15 10−15 数量级为的侦测器,首先捕捉到类似重力波的讯号。由于Weber 教授设施的灵敏度仍远低于理论所需的灵敏度(  10−22 10−22 ~  10−23 10−23 )[2],加上该观察未能再现,物理学家们并未认为他们测到了重力波。

1974年,美国普林斯顿大学的Russell Hulse教授与Joseph Taylor教授发现了一对互相绕行的脉冲双星系统PSR B1913+16 (脉冲星或称波霎,指质量极大,体积极小,快速互绕,磁场极强,并以固定週期发出电磁波辐射的中子星。)这个上天恩赐的发现无疑是天文物理学家最期待的实验场。他们观察发现该双星的公转周期随着时间的变小,而互绕速度随着时间增加与广义相对论预测双星辐射出重力波小的数值相符。算是重力波存在的间接证据,该贡献使他们两位拿到了1993年的诺贝尔物理奖。但是重力波还是没有被直接观测到。

直接观测重力波,对于宇宙起源,超大緻密星体(如黑洞,中子星,超新星)等研究,有重大意义。承如上述,由于传播重力波的时空涟漪造成的应变非常的小(约  10−23 10−23 ),仪器的灵敏度必须改进,信噪比也必须提高。为此,能够提升灵敏度  10−10 10−10 取代了机械性的应变侦测装置。之后雷射技术日新月异,雷射干涉仪侦测器遂成为追寻重力波的标準配备。目前世界上有主要的重力波雷射干涉仪侦测器为:美国的LIGO,法国与义大利的VIRGO,德国与英国的GEO600,澳洲的AIGO[4],以及这次演讲的重点,日本的KAGRA。这些侦测器灵敏度的差异,不外乎是反映在工程上对于信噪比的改进程度。

梶田教授从东京大学宇宙线研究所的神冈宇宙射线研究设施(ICRR)的研发史提起,1987年超级神冈号计划的通过,造就了世界最有名的两个微中子大型侦测器之一的产生。从这个由矿坑构成的大水槽中,科学家得以得到一个隔绝外来射线的环境经由光电倍增管来测量粒子数量及质量变化。这些珍贵的微中子震荡研究也让梶田隆章教授拿到了2015年诺贝尔物理奖的桂冠。

Super-K计划本身虽与重力波无关,然而其成功说服了日本科学界ICRR的团队能建造非常灵敏的重力波侦测器。最初期的雏形是2003年的TAMA300,为一台300公尺干涉臂的地面型干涉仪。由于地表上建筑物的受限以及背景杂讯高,改转为地下设施,2010年第二代侦测器CLIO诞生。这台100公尺干涉臂的地下化干涉仪的实验成果证实了地下化的重要性及研发冷温反射镜以降低热杂讯的必要性,2012年年底,KAGRA正式动工。但由于冬雪消融,位于地下两百米深的隧道因浸水而进度落后,直到今年年底隧道挖掘才算正式完成。

KAGRA是(The Kamioka Gravitational Wave Detector)的简称,因其发音也被暱称作「神乐」(神的乐器),为ICRR在岐阜县飞騨市神冈町设置的大型低温重力波望远镜(Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope; LCGT)主体。初期的KARGA(iKAGRA,initial KAGRA)是以迈克生干涉仪的设计来运转,在2016年以后正式营运的KAGRA(bKARGRA,base KAGRA)除了在光路上加强雷射输出功率外会以RSE(resonant sideband extraction)干涉仪的设计来运作[3]。RSE技术藉由,额外加入两面调节镜片(Power recycling mirror; Signal extraction mirror)以及Fabry-Perot干涉臂空腔设计,以增加光在每个光臂往返次数能保有更好的能源效率又不会影响讯号强度[5]。这个技术也是目前其他国家侦测器(如LIGO)正在追赶的方向。bKAGRA另一个突破是加入真空低温生成系统以降低热杂讯及抑制分子震动造成的误差,以确保捕捉到的干涉差异是来自真正的重力波讯号。最后是资料分析中心(KARra Algorithmic Library,KAGALI)的设置,建构出完整的研究管线。

由于雷射干涉仪在地面上受限于地理限制,结合世界各地的重力波雷射干涉仪,可产生立体角效应,有如光学显微镜之数值孔径定位和解析出重力波源在天空中的确切位置。因此梶田教授在KAGRA未来的规划上提到整合全球的观测网路可以增加资料的準确性。对于重力波的理解方面,KAGRA的资料也可以整合其他设施的研究(如测量微中子的超级神冈号Super-K)以获得更大广度的资讯。

在与听众的问与答中梶田教授说明了神乐的敏感度能够对10赫兹以下的讯号在重力波通过后空间变化的比率(Strain)进行分析,是目前其他设施不能相比的。KAGRA的敏感度数据,显示出当前重力波雷射干涉仪的设计正在往理想的「爱因斯坦重力波望远镜(Einstein GW Telescope)」数据接近中。我们期待未来bKAGRA正式营运后重力波的测量会变得越来越容易,且越来越準确。


References
[1] 大霹雳的回音/郭兆林教授 台大演讲
[2] 关于太初重力波你不能不知的18件事/梅贤豪博士 PanSci
[3] KAGRA project website
[4] 重力波侦测/游辉樟 物理双月刊 2004年10月
[5] Power-recycled resonant sideband extraction interferometer with polarization detection. Beyersdorf PT,Kawamura S,Somiya K,Kawazoe F,Agüeros M. Appl Opt 2005 Jun 10;44(17):3413-24


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