太空中的异物质对探测引力波有积极作用_风闻

原创： imufu牧夫天文

德国科学家们将一个原子堆垛式的小芯片发射到太空并用激光轰击后，成功创造了一种全新的物质！其被称为玻色 - 爱因斯坦冷凝物（BEC）。他们的发现为寻找引力波或时空涟漪的新方法奠定了基础。

微重力实验中的物质波干涉仪器（MAIUS-1）于2017年1月23日在瑞典雅思兰吉航天中心伴随探空火箭发射。该任务不仅成功创造了第一个太空基的BEC， 研究人员还在6分钟的太空飞行中用这个样本进行了100多次实验。 其结果于2018年10月17日发表在《自然》杂志上。

玻色 - 爱因斯坦冷凝物（BEC）为探测引力波提供了一种新工具。通过利用微重力实验中的物质波干涉仪器（MAIUS-1），一组德国研究人员在太空中创造了BEC。

Credit: DLR

玻色 - 爱因斯坦冷凝物（BEC）是当大量原子冷却到接近绝对零度时的状态。当温度足够低时，处于这种状态下的大量原子会开始聚集在一起，表现得像单个粒子一样。换句话说，原子变得不可分辨，而原子团块的表现就像一个原子。

这种现象是量子力学原理的结果，被称为波粒二象性，它表明光和物质都具有粒子和波的特性。 粒子的波长与其温度直接相关，具有较高能量的粒子表现出较短的波长，而较低能量的粒子则具有较长的波长。冷却一组原子直到它们都处于相同的低能态，那么它们的波长在整个原子云中就会延伸并趋向统一。

为了使原子温度尽可能的低，科学家们采用了一种被称为“激光冷却”的方法。 当激光束在原子上发射光子（或光粒子）时，光子被原子吸收并在此过程中减少其动量。 那是因为那些光子最初就有自己的动量，当原子吸收光子时，它也会吸收光子的动量。在与光子正面碰撞中，原子就会失去动力或减速。运动得越慢，温度就越低。

在MAIUS任务期间，铷原子样本在太空中被冷却制成了第一个BEC。 但更令人兴奋的是研究人员对BEC所做的实验结果，其表明在太空中能更精准地测量引力波。

MAIUS-1实验的工程师们将有效载荷加载到探空火箭上。

Credit: DLR

在路易斯安那的地面激光干涉引力波观测台（LIGO）发现的引力波使得三位物理学家在2017年获得了诺贝尔奖。而太空中的BEC可以帮助增强对引力波的探测。

研究人员通过一种被称为原子干涉仪的装置，用激光束将物质波分成两部分，然后以产生干涉图案的方式重新组合波。 研究员Lachmann说：“当原子处于‘自由落体’或微重力环境时，对惯性力很敏感，例如引力场。其精度与BEC在干涉仪上花费的时间成正比。”他还补充道：“由于在地球上进行这种实验时，总是遇到BEC在短时间内会坠落到地面的问题，而太空中有微重力的条件，所以只要愿意花时间就能观测到。”

中国科学院上海研究院研究员刘亮在Nature News中写道：“这项新的研究为太空中的量子传感器铺平了道路，可以用来进行地球上不可能进行的实验，例如探测通常无法进入频率范围内的引力波，感知可能的超轻暗物质粒子，观察与爱因斯坦广义相对论相关的微妙效应。没人知道星载量子传感器将能揭示宇宙的哪些奥秘。”

在太空进行这项实验之前，科学家们必须先找到一种将生产BEC所需的科学设备小型化的方法。汉诺威大学的合著者Stephan Seidel在一份声明中说：“通常情况下，这样的设备可以填满整个实验室。设计一个可搭载与探测火箭飞行的紧凑又坚固的系统，对科学家和工程师而言是一个重大挑战。” 探空火箭的高度仅为2.5米，直径为0.5米。

自MAIUS任务启动以来，一个名为冷原子实验室的类似实验已被送往国际空间站。 冷原子实验室于5月发射到空间站，此后其冷却了大量铷原子来制造BEC，就如同MAIUS的使命一样。

Lachmann说：“铷是凝结前最简单的原子种类之一，可以与其它元素一起使用。对于接下来的两个MAIUS任务（MAIUS-2和-3） ，研究员们将添加钾-41作为第二种。” 这些任务暂定于2018年和2019年启动，具体时间并未透露。

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