引力波探测的未来

引力波探测的未来

邓雪梅/编译

在利文斯顿市，工程师们正在为LIGO引力波探测器进行升级

●在经历了二十年的漫长岁月并耗资超过5亿多美元，世界上最大的引力波探测器——LIGO——或将成为对引力波探测最为敏感的仪器。然而近十年来，LIGO的首要任务是搜寻引力波，但却没有任何发现。随着设备的升级，该项目将面临不得不最终兑现其承诺的残酷现实。

在路易斯安那州巴吞鲁日东面的湿地中，对引力波的搜索在中午后才算真正开始。这缘于附近公路的车辆声、火车的呼啸，以及伐木工人偶尔发出的电锯声的干扰，因此，上午的工作往往一无所获。

即使是现在（5月的一个下午6点），在利文斯顿市激光干涉引力波天文台（LIGO）的控制室中，瑞恩·德罗萨（Ryan de Rosa）正无奈地凝视着一套电脑显示器。尽管显示器画面稳定，但仍不时会出现震颤波——这是人类感觉不到的，由墨西哥湾沿岸100多公里外产生的地震、交通嘈杂声以及海浪声引发的，看起来就像锯齿状的山峰。

为了掌控引力波探测器红外激光光束（这些光束在两个长达4 000米的通道中来回反射），这位来自路易斯安那州立大学的物理学家德罗萨及其团队，正致力于实现对LIGO的一个主要升级工作，即通过控制光束以及测量其走过的路径，他们希望能观测到由引力波经过时所产生的独特振荡——这个时空涟漪是爱因斯坦在几乎100年以前预测的——但时至今日，还没有发现引力波存在的直接证据。

另一组致力于华盛顿州汉福德核设施探测器研究的团队将于几个月内抵达。如果一切顺利的话，这两套耗资近6.2亿美元的设备或于明年恢复数据，届时将会成为世界上对引力波探测最敏感的仪器， LIGO

小组因此很有可能会成为第一个直接探测到引力波的研究团队。

寻找引力波的直接证据将把天文学推向新的时代。天文学家声称，如果找到成千上万个引力波源的存在证据，这将有助于获知黑洞碰撞、恒星自身湮灭及时空振动的秘密。届时，引力波会彻底打开一个动态且不断变化的宇宙新窗口。

然而近十年来，LIGO的首要任务是搜寻引力波，但却没有任何发现。现在，随着设备的升级，该项目将面临不得不最终兑现其承诺的残酷现实。

无处不在却无影无形

从理论上讲，地球到处充斥着引力波。引力波也被认为是来自外力扰动整个时空的宇宙事件，如一颗即将要爆炸成超新星的垂死恒星会产生大量的引力波，或如同地震时产生的地震波一样。更有节奏的引力波也许来自于并非均匀但却十分致密的天体——比如，自转速度极快的中子星。引力波的另一个来源也可能是彼此绕转的黑洞双星或双中子星，随着双星的逐渐拉近，它们会彼此相撞并最终出现毁灭性的并和。

1974年，通过在波多黎各的阿雷西博射电望远镜，物理学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和他的学生罗素·赫尔斯（Russell Hulse）发现了一个双中子星系统。在接下来的几年里，泰勒和赫尔斯记录了来自于这对双星的无数脉冲信号的计时。这些计时的轻微变化同爱因斯坦预言的引力波所携带能量的多少相符合。这是引力波探测的第一个间接证据，为赫尔斯和泰勒赢得了1993年的诺贝尔物理学奖。

直接观测引力波的首次尝试是在二十世纪六十年代初，即对引力波经过铝质圆柱体时所引起的振动进行观测，但没有成功。六十年代末，麻省理工学院的物理学家雷纳·魏斯（Rainer Weiss）建议用激光代替金属棒，即通过精心设计的反射镜迷宫把一束激光分成两束，发射到彼此垂直的两条通道并再次反射回来。其过程是，当经过一个物体时——在这种情况下，物体就是两条通道——它们会沿着一个方向轻微膨胀的同时，而在另一个与之相垂直的方向收缩。魏斯暗示，通过分离激光束以及干涉的方法有可能寻找到引力波存在的证据。

1992年，美国科学基金会（NSF）通过拨款2.72亿美元建造一个专门探测引力波的干涉仪（即现在的LIGO）计划。该计划要建造两台一模一样、彼此相隔数千公里的探测器，其中一台选址在华盛顿的汉福德市，另一台位于路易斯安那州的利文斯顿市。

1994年LIGO首席科学家、加州理工学院的物理学家巴里·巴里斯（Barry Barish）说：“凭借最初的LIGO，探测引力波是有可能的；凭借升级的LIGO，探测是非常可能的。”问题是LIGO对于引力波的探测仍然是不确定的。“当初次提出LIGO计划时，我们考虑的唯一观测源是超新星，”魏斯说，“我们认为每年都会探测到1次或许10次引力波。”但是，升级后的电脑模拟给出了精确的答案，每年观测到的引力波可能会低于预期，即使一颗超新星距离地球极近，但研究者仍然有可能什么也探测不到。

随着LIGO获得了批准，该项目的科学家们对通过观测双中子星来探测引力波一事越来越乐观。他们意识到当这些恒星相撞时，它们会释放出清晰的、易于被探测到的引力波信号，而该信号的频率范围对LIGO 的灵敏度来讲足以探测到。即便灵敏度相对低下，LIGO仍能探测到距离地球20百万秒差距（6 500万光年）的两颗中子星相互并合的信号。

然而，情况却不是这样的。在LIGO的第一阶段，从2002年至2010年期间，汉福德和利文斯顿没能探测到任何引力波。不过，NSF仍然对LIGO的进展满意，以至于在2008年再次划拨2.05亿美元用于升级LIGO。

升级后的LIGO，其探测灵敏度将上升至原来的10倍，可以在150百万秒或200百万秒差之间探测到中子星的并合，使得LIGO探测的空间范围增加了1 000倍，极大地增加了直接探测到产生引力波的罕见天文事件的几率。如果幸运的话——假设中子星并不在可能范围的最低频率下碰撞，且在观测期间进入了探测器的可观测范围内——一旦升级的LIGO达到设计的灵敏度，那么它每年或将会探测到多个引力波。

规避那些吵闹的“邻居”

首先，要完成对LIGO系统的升级工作。2011年，工程师们开始把一些更精细的组件替换掉LIGO的一些原有组件（当引力波经过两个4 000米的通道时，LIGO性能是由其测量引力波引起扭曲的精准度决定的）。在初始配置中，LIGO能够在10-21的精度下测量引力波引起的扭曲——这个精度相当于质子直径的千分之一。为了将灵敏度提高一个数量级，工程师们作了一些重大调整，包括采用新的方法来隔绝地面的随机震动。

噪音在利文斯顿市尤其突出，其周边的州际高速公路和铁路线漫延数公里，严重时，火车轰鸣声和地颤致使LIGO部分脱离工作状态。更糟糕的是砍伐树木时产生的噪音，利文斯顿实验室的资深科学家布莱恩·奥赖里（Brian O'Reilly）将其称为“LIGO的克星”。好在升级过程中，设计方案调整了系统以规避上述噪音的影响。升级的LIGO还包含了更强大的激光，再加上一套用来增加探测器对测量光子灵敏度的回收系统（LIGO的光子注入有一个上限，光子越多，白噪音效应就越大，过高的白噪音会抵消掉探测到的信号）。

6月29日，在利文斯顿市，LIGO在两个多小时时间里成功实现了锁定（这个里程碑的工作比预期早几个月）。如果调试顺利的话，根据进度，将在2015年末开启LIGO第一阶段的升级观测运行。第二阶段运行，

将在2016年至2017年的冬季开始，届时很有可能取得突破性进展——首次直接探测到引力波（2016年是爱因斯坦提出引力波的100周年，如果探测到引力波的话，那将是一份最好的献礼）。第三阶段的运行计划将于2017年至2018年进行，相信那时LIGO的敏感度能够准确地锁定引力波信号。

然而，这在很大程度上取决于两台LIGO的升级进度。研究团队目前已决定将目标放在来自双中子星的相对较低的频率上，原因他们并不太在意LIGO在高频下的升级，除非他们已经探测到了第一个引力波。

抢先发现的全球竞争

今年3月，引力波探测迎来了一个新高潮。一份报告声称，位于南极的BICEP2望远镜探测到了来自宇宙大爆炸后瞬间暴涨阶段中的原始引力波，但当论文于6月正式发表时，他们坦承不能完全排除探测到的这种引力波信号或是星系尘埃所产生的“假信号”。包括由北美、欧洲和澳大利亚合作监测的大约70颗脉冲星（这些快速旋转的中子星在令人难以置信的精确时间间隔发出信号）以及国际脉冲星计时阵（IPTA）成员，他们希望通过引力波影响脉冲计时的方式来捕获引力波。IPTA负责人斯科特·兰索姆（Scott Ransom）说：“我总是调侃LIGO项目的科学家们，我们有可能是发现引力波的一匹黑马”。

与LIGO探测引力波不同，通过脉冲星计时发现的引力波其来源于碰撞中的超大质量黑洞双星，其超大的质量使得它们并合频率太低以至于LIGO无法探测到。尽管如此，利文斯顿市的LIGO负责人约瑟夫·贾埃姆（Joseph Giaime）说，任何的直接探测都将会提振这一领域。“如果几十年过去了还是一无所获的话，人们就会怀疑其相关理论。”

其中与LIGO最为接近的一个竞争对手是位于意大利比萨附近的激光干涉引力波探测项目Virgo。Virgo 如同是LIGO的“小妹妹”：一个臂长3 000米的干涉仪，其灵敏度大约为LIGO的四分之三。与LIGO类似，Virgo搜索目标主要集中在碰撞中的双中子星，自2007年运行至今，也没有发现引力波。Virgo目前也在升级改造，并计划在LIGO升级后的一年左右与其联机，以分享各自的数据。意大利国家核物理研究所Virgo 项目负责人乔瓦尼·洛苏尔多（Giovanni Losurdo）认为，至关重要的是，分布在不同地区的干涉仪，将有助于天文学家们准确捕获到任何引力波信号源。

当Virgo和LIGO升级之际，德国的GEO600引力波观测站——带有两个600米臂长的干涉仪——正在监测着天空，尽管其灵敏度比LIGO和Virgo相对差一些。包括将最早于2018年运行的日本在建的神岗引力波探测器（KAGRA），欧洲正在酝酿的三个1万米臂长的爱因斯坦望远镜，以及欧空局（ESA）计划于2034年发射一个空间引力波探测器LISA，也将在该领域跃跃欲试。

为使天文学家更精确地探测到引力波的来源，在LIGO升级改造之时，LIGO团队提出在印度放置第三个探测器的设想，并且已经建造了一套相应的组件，正在等待印度新政府的选址和拨款。从目前情况看，印度可能在2022年实施这个项目并为此耗资3.5亿美元。

与上述这些引力波探测项目相比，大多数物理学家都对升级后的LIGO最终将发现引力波比较乐观。“如果我们达到设计的灵敏度，但没有得到任何探测结果的话，那么这将不得不回到理论这一块，也不要期望NSF会帮助我们。”巴里斯说。

或许，该领域的未来就在德罗萨和他同事们的手中。在利文斯顿控制室内，皱着眉头的德罗萨像以往一样把目光盯在屏幕上，此时晚饭时间已到，仍没有引力波的迹象，于是他像往常一样和团队其他人一起驾车前往餐厅。在驶向餐厅的路上，LIGO探测器上出现了一系列的波峰，但这些被捕捉到的杂乱波峰是这些研究者们开车所致……

[资料来源：Nature][责任编辑：则鸣]