激光模式传感器将如何探测中子星内部？
发布时间：2023-04-04 08:00:00 阅读数： 552
西澳大利亚大学的引力波科学家开发的一种激光模式传感器可能是探测中子星表面下的关键。这一突破可能有助于研究人员利用引力波测试爱因斯坦的广义相对论的极限。
中子星是宇宙中最神秘和迷人的物体之一。当大质量恒星达到其自然寿命的终点时形成的，这些恒星残余物中的物质是我们所知道的最密集的物质形式。一茶匙的这种物质就有40亿吨重。
这种形式的物质在地球上并不存在，这使得中子星的内部成为物理学家的一个有趣的研究课题。
澳大利亚团队的激光模式传感器提供了前所未有的精度，并在在线资料库ArXiv的一篇论文1中进行了描述。
该传感器能够通过消除为引力波探测器提供动力的镜子的扭曲来提高引力波探测器的灵敏度。
广义相对论、引力波和中子星
广义相对论是一个物理学领域，它告诉研究人员，有质量的物体塑造了时空结构，就像质量越来越大的球放在一个被拉伸的橡胶板上。
质量越大，曲率越大--这意味着中子星的质量像太阳一样被挤压成一个城市的半径，对时空产生了巨大的影响，成为检验广义相对论的绝佳实验室。
当大质量物体如中子星相互绕行或碰撞时，会向时空发射涟漪（引力波）。这些波在空间中旅行，携带着关于其来源的信息。
当大质量恒星在其自然生命周期结束时坍塌，也会发射引力波。这发生在一个恒星耗尽核聚变的燃料时。除了将较轻的元素变成较重的元素之外，核聚变还提供了向外的压力，以平衡恒星自身重力的内向力。
当这些过程停止时，恒星崩溃导致超新星爆炸，将外部物质发射到太空中，形成一个紧凑的恒星残余物，如中子星或黑洞，并发射引力波。
尽管是他开创性的广义相对论预测了它们，但爱因斯坦认为这些引力波非常微弱，我们在地球上几乎没有机会探测到它们。
然而，这一理论已被进一步的研究所否定。
改进引力波检测器
地球上的引力波是用极其精确的激光干涉仪探测到的。
最著名的例子是激光干涉仪引力波天文台（LIGO）2，它由两个激光臂组成，长4公里，呈L形相接。
当引力波通过这些具有相同频率和相位的激光器时就会被探测到--这些激光器被送入贯穿这些臂长的真空室--并在其中一个激光器中引起轻微的扭曲，导致两者轻微错位。
LIGO将帮助确定其操作镜之间的距离变化，其宽度为质子的1/10,000--相当于确定最近的恒星的距离 ，其距离约为4.2光年--精度小于人类头发的宽度。
虽然LIGO及其当代引力波探测器的镜子由于其激光器而包含了大量的光功率，这一点由于其镜子对而增加了，但这些镜子的微小扭曲会导致多余的噪音、灵敏度的损失，甚至使探测器脱机--尽管是短暂的。
该团队的想法是放大引力波探测器的激光束，并寻找限制探测器灵敏度的不可估量的微小 "摇摆 "功率。
该方法建立在电信业的一个问题上，工程师们正在试验如何通过光纤发送更多的数据。这种相似性取决于检测所谓的特征模式的需要--一种振荡系统的自然振动，其中所有的不同部分以相同的频率一起运动。
然而，应用于电信的测量特征模的解决方案对于敏感的引力波探测器的需求来说是不够有效的。
这导致了一种具有特殊设计图案的超薄表面的开发。其结果是一个概念验证，比为电信开发的类似仪器的灵敏度高1,000倍。
希望这种模式感应的解决方案能够应用于引力波探测器，以提高其灵敏度，促进对中子星和广义相对论的深入研究。
参考资料
1 Jones. A. W., Wang. M., Zhang. X., et al. (2022) Metasurface Enhanced Spatial Mode Decomposition. https://arxiv.org/pdf/2109.04663.pdf
2 About Ligo, LIGO. [Online] Available at: https://www.ligo.caltech.edu/page/about
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