一个微小的晶体装置可以增强引力波探测器，以探听黑洞的轰鸣

黑洞周围引力波的插图。

(图片来源:国家科学基金会/激光干涉引力波天文台 /索诺玛州立大学/ 西蒙，作者提供)

本文最初发表于《对话》。该刊物向太空网的《专家之声:观点与见解》投稿。

2017年，天文学家首次见证了黑洞的诞生。引力波探测器捕捉到了由两颗中子星碰撞形成黑洞而引起的时空涟漪，其他望远镜随后观测到了由此产生的爆炸。

黑洞形成的本质，即物质在被封闭在黑洞视界内之前的瞬间运动，却没有被观测到。因为在最后时刻释放出来的引力波频率太高，目前的探测器无法捕捉到它们。

如果你能观察到普通物质变成黑洞的过程，你会看到类似于大爆炸的回放。设计引力波探测器的科学家们一直在努力研究如何改进探测器，使之成为可能。

今天，我们的团队发表了一篇论文，做了整个技术展示。我们的建议可以使探测器对我们需要的高频的灵敏度提高40倍，让天文学家能够听到形成黑洞的

物质。

它涉及到创造一种混合了两种量子振动的奇怪的新能量包(或“量子”)。基于这项技术的设备可以添加到现有的引力波探测器，以获得所需的额外灵敏度。

量子问题

像的激光干涉引力波天文台(LIGO)这样的引力波探测器使用激光来测量两个反射镜之间难以置信的微小距离变化。因为它们测量的变化比单个质子的大小小1000倍，量子力学的影响——单个物理量子或能量粒子——在探测器的工作中扮演着重要的角色。

其中包含两种不同的量子能量包，这两种能量包是阿尔伯特·爱因斯坦预言的。1905年，他预测光以能量包的形式出现，我们称之为光子;两年后，他预测热量和声能以被称为声子的能量包的形式存在。

光子在现代技术中得到了广泛的应用，声子的利用要复杂得多。单个声子通常被大量随机的声子淹没，声子的热量来自于它们周围的环境。引力波探测器下，声子在探测器的反射镜中弹跳，降低了它们的灵敏度。

五年前，物理学家们意识到，可以通过将声子和光子结合起来的设备来解决在高频下灵敏度不足的问题。他们表明，在具有声子和光子特性的量子包中携带能量的设备可以具有相当显著的特性。

这些设备将彻底改变我们熟悉的“共振放大”概念。共振放大即当你在操场上推秋千时所做的:如果在正确的时间推，你所有的小推力都会产生一个大的秋千。

这种“白光腔”的新设备将均等放大所有频率。就像一个秋千，可以在任何时间推动，都以大的结果结束。

然而，还没有人研究出如何制造这种装置，因为它内部的声子会被热引起的随机振动所压制。

量子的解决方案

在我们发表在《通信物理学》上的论文中，我们展示了目前正在进行的两个不同的项目是如何完成这项工作的。

位于哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所(Niels Bohr Institute)一直在开发一种名为声子晶体的装置，这种装置的热振动是由一种切割成薄膜的晶体状结构控制的。澳大利亚卓越量子系统工程中心也展示了另一种系统，在这种系统中，声子被困在一个超纯石英透镜中。

我们表明，这两种系统都满足了创造白光腔所需的“负色散”的要求——即以反向彩虹图案传播光频率。

这两个系统，如果加到现有引力波探测器的后端，将会把几千赫兹频率的灵敏度提高40倍或更多，这是聆听黑洞诞生所需的。

接下来是什么?

我们的研究不能立即解决引力波探测器的问题。要把这些设备使用在实用领域，还面临着巨大的挑战。但它提供了一条途径，将观测黑洞形成所需的引力波探测器改进40倍。

天体物理学家预测，中子星在形成黑洞时发生的抽搐会产生复杂的引力波。这些引力波可以让我们监听到坍缩中子星的核物理。

例如，它们可以清楚地揭示恒星中的中子是保持中子的状态，还是分裂成夸克的海洋，夸克是最微小的亚原子粒子。如果我们能观察到中子变成夸克然后消失在黑洞奇点中，这将与奇点外大爆炸论完全相反，它认为粒子出现，然后创造了宇宙。

BY:David Blair

FY:jane

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