噪声与灵敏度

 

要想探测到引力波产生的微小信号,我们需要很敏感的设备。所谓敏感是什么意思呢?当然,这里的敏感不是我们通常生活中说的敏感,更准确的应称之为仪器的灵敏度,它是对仪器探测信号能力的一种衡量。具体到引力波探测器,灵敏度表示我们探测器的输出信号里有多大一部分是来至引力波。如果信号中引力波的成份越多,不是引力波的成份越少(也称之为噪声越低),就代表探测器的灵敏度越高。

我们从最大化引力波信号开始,讨论如何去提高引力波探测器的灵敏度。第一步,我们得采用超大型的探测器。我们把干涉仪臂长建成四公里长并不是因为越长越好玩,而是为了探测器能够得到更强的引力波信号。因为臂长越长,引力波产生的相应的改变量也越大。

既然我们已经把引力波探测器建造得足够灵敏去探测引力波,为什么还是没有探测到引力波呢?这是因为从遥远太空来的引力波信号非常微弱,而周围各式各样的噪声对干涉仪的臂长变化产生了相似的作用,噪声把引力波信号给掩盖了。举个很简单的例子,你和一个朋友在一个很安静的公园里面,即使你们中间隔了500米,如果你的朋友喊你的话,你仍旧能听到。这是因为周围没有什么噪声的干扰。可是如果换成是在闹市中,相隔同样的距离,如果这时朋友再喊你,你还能分辨出他的声音吗?会很难!这不是因为你的朋友喊得没有在公园里面那么响亮,而是周围嘈杂的环境让你分辨不出你朋友的喊声。同样的道理,对于极为灵敏的引力波探测器,由于存在各式各样噪声的干扰,比如镜面原子的热振动,引力波信号就被淹没在噪声中了。

灵敏度曲线

在上面的示意图中,不同的颜色的线代表不同的噪声来源。干涉仪灵敏度的一个重要衡量指标就是这些噪声曲线的高低,如果噪声越低,灵敏度就越高。 因此,我们得把探测器建造在一个相对比较安静的环境中,像选择安静的公园而不是喧闹的城市。当然,还有相当多的方法来降低探测器的噪声,这里就不赘述了。