如何将月亮用作重力波检测器

在过去的一个世纪中,一系列新发明的望远镜给了我们一套不断扩大的眼睛,以捕捉天堂的过去,以拼凑宇宙的历史。

在过去的一个世纪中,一系列新发明的望远镜给了我们一套不断扩大的眼睛,以捕捉天堂的过去,以拼凑宇宙的历史。今天,我们才刚刚开始将一类全新的望远镜带入游戏中:重力望远镜,它在时空本身的结构中测量波浪。这些望远镜非常困难且昂贵。一篇大胆的新论文提出,代替建造大力力重力望远镜,我们应该使用月亮凝视着宇宙的起源。

天体物理学和宇宙学完全是基于望远镜检测到远处物体的波的观察到的宇宙。 X射线望远镜检测黑洞和旋转的中子星,用凶猛的高能梁(脉冲星)清扫空间。紫外线和可见波揭示了恒星的生命周期和宇宙的膨胀。诸如哈勃之类的乐器创建红外照片,深深地凝视着星云并挑选热外行星。微波灯揭示了宇宙的年龄。这些测量结果样品了大量的电磁波,所有这些都具有相同的基础结构。

引力波

引力波(GW)天文学在时空本身中测量波纹。与大多数电磁天文学领域不同,GW天文学非常年轻。

2015年检测到了第一浪。从该GW到达地球的时空干扰仅是质子宽度的千分之一,但是激光干涉仪重力波观测站(Ligo)能够看到它。这一令人惊讶的成就立即获得了诺贝尔物理学奖。

第一个发现只是冰山一角。在整个宇宙中,不同频率,大小和形式的引力波。就像整个电磁频谱中发出信号的一系列过程一样,各种天体物理和宇宙学现象会产生不同的GW光谱特征。在这里,我们来到上周发表的一篇新论文,上周在《备受尊敬的物理学杂志》物理评论来信中发表。 (您可以在此处阅读免费版本。)

该论文指出,可以使用特定的GW频带(大约是微型峰(或一百万秒的一个波峰)),除其他外,还可以使用一种称为随机引力波背景的东西。这是GW信号的背景噪声,该信号由各种类型的微弱的随机波制成,所有这些都混乱在一起。它就像无线电的静态声音或没有输入信号的模拟电视上闪烁的灰雪图片。

测量这种GW背景噪声的水平可能会使宇宙学家看到所谓的宇宙学一阶相变。在宇宙的早期历史中(当它不到一秒钟的历史)中,如此少量的能量包含了如此之多的能量,以至于我们所知道的粒子和力量尚不存在。随着宇宙冷却和扩展,可能发生了一个或多个相变,足以使我们今天知道的颗粒凝结并冷却,例如水滴从薄雾空气中凝结。然后,新形成的粒子随后在似乎控制着现代宇宙的四个基本力的指南下开始相互作用。该GW背景噪声的通过在天体的轨道中很小的偏差中可以检测到。该论文提出了三组轨道,可以探测以分析所需的GW信号。这是月亮人物的地方,也是您可能从未听说过的有趣的卫星。

反射逆转

为了测量与天体物体的距离,科学家可以将激光脉冲从地球表面向上发射到太空中。激光发出的光子以光速直线行驶,直到击中东西。如果直接反射光子,我们可以测量往返的时间:这次除以C,并且您的距离行进。再次分为一半,这是到天体物体的距离。碰巧的是,我们将仅出于此目的进行的特殊反射器放在绕着地球的两个物体上:月球和卫星lageos。

月亮主持了五个反射器,由阿波罗宇航员和两名苏联无人兰德斯放置。这些是反向电流,专门设计和精心加工,以沿着完全相同的方向向后反射光。乘坐宇航员三天的月球之旅需要一秒钟以上的光子。使用这些反向电流,将地月距离连续测量到不到一英寸(!)的时间不到50年。Lageos是1970年代发射到轨道的人造球,其表面被426个后部反射器迷住。这是一颗非常简单的卫星,既不需要活动部件,也不需要电源,也不需要通信。 Lageos的唯一工作是重新反射。

该论文预测,如果可以将月球距离地球的距离衡量到约0.1 mm(四分之一英寸)之内,那么我们也许可以看到可以揭示冷却世界的GW噪声背景的波动。作者认为,当今技术可能可以进行测量。 Lageos可能会进行类似的分析。

最新的针对能够进行相同测量的新望远镜的提案表明,六个航天器的星座停放了数亿英里。但是,当我们有月球时,为什么要建造它呢?

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