[发明专利]利用穆斯堡尔效应探测引力波的方法、系统、终端、介质

说明书

本发明属于天文技术领域，公开了一种利用穆斯堡尔效应探测引力波的方法、系统、终端、介质，利用穆斯堡尔效应探测引力波的方法包括：利用两个相互垂直的穆斯堡尔光谱仪对同一个正方体晶体靶进行光谱探测，利用引力波对晶格原子核在两个垂直方向上产生不同的扰动，通过两个穆斯堡尔光谱的不同的响应扰动，从而测出引力波的信号。本发明利用穆斯堡尔光谱扰动，即利用原子核的共振吸收或发射，来探测引力波对物质产生的震动扰动。本发明的新技术是通过电磁波的能谱扰动探测引力波，选取对穆斯堡尔谱灵敏的材料作为靶块。本发明提出的探测方案可以通过改善靶材料的性质提高信号强度，具有设备体积小、测量简单、分辨率高、灵敏度高、操作也更加容易等特点。

技术领域

本发明属于天文技术领域，尤其涉及一种利用穆斯堡尔效应探测引力波的方法、系统、终端、介质。

背景技术

目前，引力波是广义相对论所预言的一种物理现象，描述为时空弯曲中的涟漪。广义相对论把引力等效为质量引起的时空弯曲，当质量忽然消失转化为能量，相应的时空也会发生波动，这种波以引力辐射的形式向外传播。也就是说，引力波是物质和能量的剧烈变化所产生的一种时空波动。

当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少。通常引力波源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小。如果质量转化为能量足够多，比如说黑洞合并，形变效应达到10^-21，这种引力波产生的波动就可能被探测到。引力波探测器主要有棒状探测器和激光干涉仪。

棒状探测器相当于一个共振天线，引力波会与物体发生作用，因而有可能被探测到。棒状探测器的代表是韦伯棒，20世纪60年代韦伯建造了一个长2米、直径1米、质量1000公斤的铝质实心圆柱。然后在圆柱的周围安装了很多压电传感器。如果引力波的频率和铝筒的共振频率一致，便会引起它的收缩和拉伸效应，将这种效应通过电传感器检测出来，转换成电信号并使用电子线路进行放大后输出，便可得到相应的引力波的图像。根据计算可得到韦伯棒的固有频率在500至1500赫兹的范围内。

棒状探测器利用的是共振原理，由于引力波信号太微弱，为了使得振动时的能量损失率很小，韦伯还用细丝将圆柱悬挂起来。韦伯本人做过几次报告，说已经探测到引力波，但是并没有被大众接受。后来结论是韦伯棒的波动信号是噪音引起的波动信号。引力波通过共振天线很难产生有效的电传感信号，所以棒状探测器探测到引力波的概率非常低。

激光干涉仪引力波探测设备(如LIGO)是利用迈克尔逊干涉原理，直接探测空间距离的微小变化。迈克尔逊干涉仪原理，就是通过分光镜，把一束光分成两束，那么这两束光就满足频率相同、振动方向相同且相位差恒定，所以就能够发生干涉。干涉中两束光可以通过调节干涉臂长度形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差的轨迹。同理，如果干涉条纹发生了变化，就认为是臂长的距离发生了变化，这就是激光干涉仪探测引力波的原理(见图5)。

激光干涉仪引力波探测系统实际上就是一个放大版的迈克尔逊干涉仪。激光干涉仪引力波探测器的主要部件有镜子，悬挂隔离震动平台，激光器，干涉仪，以及真空系统等等。激光干涉仪的实际臂长约数千米，但是这个距离对于探测引力波来说还不够长，于是在实际探测过程中，又增加了法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)，使激光束进行多重反射和折射，相当于增加了干涉仪的有效臂长达到1000千米。这样对于激光波长10^-6米，探测精度达到10^-6/10⁶＝10^-12。但是，这还远远不够灵敏。于是又增加了光电二极管探测技术，探测仪器的精度达到10^-20，已经接近可以探测引力波的水平。在此基础上又使用了激光放大器，将仪器的灵敏度提高到10^-21至10^-22。