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暗物质实验室的超导磁体可以听到宇宙中未曾听过的音乐

更新时间:2025-07-30 01:39  浏览量:1

物理学家刚刚发现了超导磁体的新用途,即聆听来自宇宙的高频低语。

像LIGO 这样的引力波探测器已经彻底改变了天文学,但其作用范围仅限于一个狭窄的频率范围。如今,物理学家们找到了一种意想不到的方法,可以大幅拓宽这个范围。

在一项新的研究中,物理学家提出,最初设计用于寻找轴子的暗物质实验中的超导磁体也可以探测到难以捉摸的千赫兹到兆赫范围内的引力波——这是当前探测器无法达到的频率。

研究作者指出,我们的研究“表明,直流磁铁可以充当极其灵敏的引力波探测器”。如果成功,这种方法将提供一种聆听宇宙的新工具,并有可能揭示我们从未观测到的宇宙事件信号。

早在 20 世纪 60 年代,物理学家约瑟夫·韦伯就尝试使用大型金属圆柱体探测引力波,希望当波通过时这些圆柱体会发生轻微振动。

虽然他的“韦伯条”(圆柱体)在某些频率下工作,但在那个窄带之外几乎听不到任何声音。换句话说,它们就像只能清晰接收到一个电台而错过其他电台的收音机。

“我们认识到,虽然韦伯棒概念在引力波频率非常接近棒本身的共振模式时工作得很好,但在非共振状态下工作得就不那么好了,”该研究的作者之一、日内瓦大学理论粒子物理学家塞巴斯蒂安·埃利斯表示。

这项研究也从韦伯的实验中汲取了灵感,但使用的是磁铁而不是金属棒。这是因为研究人员意识到,暗物质实验中使用的超导磁体本身就储存着巨大的磁能。此外,它们能够响应更宽频率范围内的引力波,而不仅仅是韦伯最初设计的窄带频率。

当引力波穿过超导磁体时,它会引起整个结构轻微的震动。这些微小的震动会扭曲承载电流的装置的形状,最终导致磁场改变。

这些变化极其微小,但名为SQUID(超导量子干涉仪)的先进传感器可以检测到它们。因此,这种基于磁铁的方法无需像老式韦伯棒那样将机械运动转换为电信号,而是直接产生磁信号,这种信号更容易测量,也更不容易受到噪声的影响。

磁性探测器的诸多优点

这项发现最令人兴奋的地方在于,这些磁探测器可以在迄今为止尚未探索的频段工作。激光干涉引力波天文台(LIGO)是一座基于激光的天文台,于2015年首次证实了引力波的存在,其灵敏度极高,但大多低于几千赫兹。

然而,新技术可能达到 10 兆赫,为检测我们尚未想象到的奇异天体物理事件或现象的信号提供一种新方法。

这还有一个实际优势。像 DMRadio 和 ADMX-EFR 这样的 暗物质实验已经使用了这些强大的磁铁。

这意味着科学家无需建造全新的设备。这些磁铁可以一举两得,既能搜寻暗物质,又能监听高频引力波,使未来的实验更加高效、经济。

然而,将这个想法转化为真正的解决方案并非易事。仪器需要受到保护,以免日常振动淹没信号。即使是环境中的微小震动也能模拟引力波的影响。

“这一要求与 LIGO 以及传统的韦伯杆(例如重达 2 吨的 AURIGA 杆)面临的要求非常相似。他们能够成功隔离设备,这让我们感到乐观,”埃利斯补充道。

该团队目前正在加大努力,以确定哪些类型的引力波信号可能出现在这个高频范围内。他们还在探索更灵敏的量子传感器,以进一步改进装置。如果成功,这可能标志着天文学新篇章的开启,宇宙将揭示它隐藏在我们从未听过的频率中的秘密。

该研究发表在《物理评论快报》上。

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