鄧雪梅/編譯

引力波探測的未來

鄧雪梅/編譯

在利文斯頓市，工程師們正在為LIGO引力波探測器進行升級

● 在經(jīng)歷了二十年的漫長歲月并耗資超過 5億多美元，世界上最大的引力波探測器——LIGO——或?qū)⒊蔀閷σΣㄌ綔y最為敏感的儀器。然而近十年來，LIGO的首要任務(wù)是搜尋引力波，但卻沒有任何發(fā)現(xiàn)。隨著設(shè)備的升級，該項目將面臨不得不最終兌現(xiàn)其承諾的殘酷現(xiàn)實。

在路易斯安那州巴吞魯日東面的濕地中，對引力波的搜索在中午后才算真正開始。這緣于附近公路的車輛聲、火車的呼嘯，以及伐木工人偶爾發(fā)出的電鋸聲的干擾，因此，上午的工作往往一無所獲。

即使是現(xiàn)在（5月的一個下午6點），在利文斯頓市激光干涉引力波天文臺（LIGO）的控制室中，瑞恩·德羅薩（Ryan de Rosa）正無奈地凝視著一套電腦顯示器。盡管顯示器畫面穩(wěn)定，但仍不時會出現(xiàn)震顫波——這是人類感覺不到的，由墨西哥灣沿岸100多公里外產(chǎn)生的地震、交通嘈雜聲以及海浪聲引發(fā)的，看起來就像鋸齒狀的山峰。

為了掌控引力波探測器紅外激光光束（這些光束在兩個長達4 000米的通道中來回反射），這位來自路易斯安那州立大學(xué)的物理學(xué)家德羅薩及其團隊，正致力于實現(xiàn)對LIGO的一個主要升級工作，即通過控制光束以及測量其走過的路徑，他們希望能觀測到由引力波經(jīng)過時所產(chǎn)生的獨特振蕩——這個時空漣漪是愛因斯坦在幾乎100年以前預(yù)測的——但時至今日，還沒有發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)。

另一組致力于華盛頓州漢福德核設(shè)施探測器研究的團隊將于幾個月內(nèi)抵達。如果一切順利的話，這兩套耗資近6.2億美元的設(shè)備或于明年恢復(fù)數(shù)據(jù)，屆時將會成為世界上對引力波探測最敏感的儀器，LIGO小組因此很有可能會成為第一個直接探測到引力波的研究團隊。

尋找引力波的直接證據(jù)將把天文學(xué)推向新的時代。天文學(xué)家聲稱，如果找到成千上萬個引力波源的存在證據(jù)，這將有助于獲知黑洞碰撞、恒星自身湮滅及時空振動的秘密。屆時，引力波會徹底打開一個動態(tài)且不斷變化的宇宙新窗口。

然而近十年來，LIGO的首要任務(wù)是搜尋引力波，但卻沒有任何發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，隨著設(shè)備的升級，該項目將面臨不得不最終兌現(xiàn)其承諾的殘酷現(xiàn)實。

無處不在卻無影無形

從理論上講，地球到處充斥著引力波。引力波也被認為是來自外力擾動整個時空的宇宙事件，如一顆即將要爆炸成超新星的垂死恒星會產(chǎn)生大量的引力波，或如同地震時產(chǎn)生的地震波一樣。更有節(jié)奏的引力波也許來自于并非均勻但卻十分致密的天體——比如，自轉(zhuǎn)速度極快的中子星。引力波的另一個來源也可能是彼此繞轉(zhuǎn)的黑洞雙星或雙中子星，隨著雙星的逐漸拉近，它們會彼此相撞并最終出現(xiàn)毀滅性的并和。

1974年，通過在波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡，物理學(xué)家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和他的學(xué)生羅素·赫爾斯（Russell Hulse）發(fā)現(xiàn)了一個雙中子星系統(tǒng)。在接下來的幾年里，泰勒和赫爾斯記錄了來自于這對雙星的無數(shù)脈沖信號的計時。這些計時的輕微變化同愛因斯坦預(yù)言的引力波所攜帶能量的多少相符合。這是引力波探測的第一個間接證據(jù)，為赫爾斯和泰勒贏得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

直接觀測引力波的首次嘗試是在二十世紀六十年代初，即對引力波經(jīng)過鋁質(zhì)圓柱體時所引起的振動進行觀測，但沒有成功。六十年代末，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家雷納·魏斯 （Rainer Weiss）建議用激光代替金屬棒，即通過精心設(shè)計的反射鏡迷宮把一束激光分成兩束，發(fā)射到彼此垂直的兩條通道并再次反射回來。其過程是，當經(jīng)過一個物體時——在這種情況下，物體就是兩條通道——它們會沿著一個方向輕微膨脹的同時，而在另一個與之相垂直的方向收縮。魏斯暗示，通過分離激光束以及干涉的方法有可能尋找到引力波存在的證據(jù)。

1992年，美國科學(xué)基金會（NSF）通過撥款2.72億美元建造一個專門探測引力波的干涉儀 （即現(xiàn)在的LIGO）計劃。該計劃要建造兩臺一模一樣、彼此相隔數(shù)千公里的探測器，其中一臺選址在華盛頓的漢福德市，另一臺位于路易斯安那州的利文斯頓市。

1994年LIGO首席科學(xué)家、加州理工學(xué)院的物理學(xué)家巴里·巴里斯（Barry Barish）說：“憑借最初的LIGO，探測引力波是有可能的；憑借升級的LIGO，探測是非?？赡艿摹！眴栴}是LIGO對于引力波的探測仍然是不確定的?！爱敵醮翁岢鯨IGO計劃時，我們考慮的唯一觀測源是超新星，”魏斯說，“我們認為每年都會探測到1次或許10次引力波。”但是，升級后的電腦模擬給出了精確的答案，每年觀測到的引力波可能會低于預(yù)期，即使一顆超新星距離地球極近，但研究者仍然有可能什么也探測不到。

隨著LIGO獲得了批準，該項目的科學(xué)家們對通過觀測雙中子星來探測引力波一事越來越樂觀。他們意識到當這些恒星相撞時，它們會釋放出清晰的、易于被探測到的引力波信號，而該信號的頻率范圍對LIGO的靈敏度來講足以探測到。即便靈敏度相對低下，LIGO仍能探測到距離地球20百萬秒差距 （6 500萬光年）的兩顆中子星相互并合的信號。

然而，情況卻不是這樣的。在LIGO的第一階段，從2002年至2010年期間，漢福德和利文斯頓沒能探測到任何引力波。不過，NSF仍然對LIGO的進展?jié)M意，以至于在2008年再次劃撥2.05億美元用于升級LIGO。

升級后的LIGO，其探測靈敏度將上升至原來的10倍，可以在150百萬秒或200百萬秒差之間探測到中子星的并合，使得LIGO探測的空間范圍增加了1 000倍，極大地增加了直接探測到產(chǎn)生引力波的罕見天文事件的幾率。如果幸運的話——假設(shè)中子星并不在可能范圍的最低頻率下碰撞，且在觀測期間進入了探測器的可觀測范圍內(nèi)——一旦升級的LIGO達到設(shè)計的靈敏度，那么它每年或?qū)綔y到多個引力波。

規(guī)避那些吵鬧的“鄰居”

首先，要完成對LIGO系統(tǒng)的升級工作。2011年，工程師們開始把一些更精細的組件替換掉LIGO的一些原有組件 （當引力波經(jīng)過兩個4 000米的通道時，LIGO性能是由其測量引力波引起扭曲的精準度決定的）。在初始配置中，LIGO能夠在10-21的精度下測量引力波引起的扭曲——這個精度相當于質(zhì)子直徑的千分之一。為了將靈敏度提高一個數(shù)量級，工程師們作了一些重大調(diào)整，包括采用新的方法來隔絕地面的隨機震動。

噪音在利文斯頓市尤其突出，其周邊的州際高速公路和鐵路線漫延數(shù)公里，嚴重時，火車轟鳴聲和地顫致使LIGO部分脫離工作狀態(tài)。更糟糕的是砍伐樹木時產(chǎn)生的噪音，利文斯頓實驗室的資深科學(xué)家布萊恩·奧賴里 （Brian O'Reilly）將其稱為“LIGO的克星”。好在升級過程中，設(shè)計方案調(diào)整了系統(tǒng)以規(guī)避上述噪音的影響。升級的LIGO還包含了更強大的激光，再加上一套用來增加探測器對測量光子靈敏度的回收系統(tǒng) （LIGO的光子注入有一個上限，光子越多，白噪音效應(yīng)就越大，過高的白噪音會抵消掉探測到的信號）。

6月29日，在利文斯頓市，LIGO在兩個多小時時間里成功實現(xiàn)了鎖定（這個里程碑的工作比預(yù)期早幾個月）。如果調(diào)試順利的話，根據(jù)進度，將在2015年末開啟LIGO第一階段的升級觀測運行。第二階段運行，將在2016年至2017年的冬季開始，屆時很有可能取得突破性進展——首次直接探測到引力波（2016年是愛因斯坦提出引力波的100周年，如果探測到引力波的話，那將是一份最好的獻禮）。第三階段的運行計劃將于2017年至2018年進行，相信那時LIGO的敏感度能夠準確地鎖定引力波信號。

然而，這在很大程度上取決于兩臺LIGO的升級進度。研究團隊目前已決定將目標放在來自雙中子星的相對較低的頻率上，原因他們并不太在意LIGO在高頻下的升級，除非他們已經(jīng)探測到了第一個引力波。

搶先發(fā)現(xiàn)的全球競爭

今年3月，引力波探測迎來了一個新高潮。一份報告聲稱，位于南極的BICEP2望遠鏡探測到了來自宇宙大爆炸后瞬間暴漲階段中的原始引力波，但當論文于6月正式發(fā)表時，他們坦承不能完全排除探測到的這種引力波信號或是星系塵埃所產(chǎn)生的“假信號”。包括由北美、歐洲和澳大利亞合作監(jiān)測的大約70顆脈沖星 （這些快速旋轉(zhuǎn)的中子星在令人難以置信的精確時間間隔發(fā)出信號）以及國際脈沖星計時陣（IPTA）成員，他們希望通過引力波影響脈沖計時的方式來捕獲引力波。IPTA負責(zé)人斯科特·蘭索姆（Scott Ransom）說：“我總是調(diào)侃LIGO項目的科學(xué)家們，我們有可能是發(fā)現(xiàn)引力波的一匹黑馬”。

與LIGO探測引力波不同，通過脈沖星計時發(fā)現(xiàn)的引力波其來源于碰撞中的超大質(zhì)量黑洞雙星，其超大的質(zhì)量使得它們并合頻率太低以至于LIGO無法探測到。盡管如此，利文斯頓市的LIGO負責(zé)人約瑟夫·賈埃姆（Joseph Giaime）說，任何的直接探測都將會提振這一領(lǐng)域?！叭绻麕资赀^去了還是一無所獲的話，人們就會懷疑其相關(guān)理論?！?其中與LIGO最為接近的一個競爭對手是位于意大利比薩附近的激光干涉引力波探測項目Virgo。Virgo如同是LIGO的“小妹妹”：一個臂長3 000米的干涉儀，其靈敏度大約為LIGO的四分之三。與LIGO類似，Virgo搜索目標主要集中在碰撞中的雙中子星，自2007年運行至今，也沒有發(fā)現(xiàn)引力波。Virgo目前也在升級改造，并計劃在LIGO升級后的一年左右與其聯(lián)機，以分享各自的數(shù)據(jù)。意大利國家核物理研究所Virgo項目負責(zé)人喬瓦尼·洛蘇爾多（Giovanni Losurdo）認為，至關(guān)重要的是，分布在不同地區(qū)的干涉儀，將有助于天文學(xué)家們準確捕獲到任何引力波信號源。

當Virgo和LIGO升級之際，德國的GEO600引力波觀測站——帶有兩個 600米臂長的干涉儀——正在監(jiān)測著天空，盡管其靈敏度比LIGO和Virgo相對差一些。包括將最早于2018年運行的日本在建的神崗引力波探測器（KAGRA），歐洲正在醞釀的三個1萬米臂長的愛因斯坦望遠鏡，以及歐空局（ESA）計劃于2034年發(fā)射一個空間引力波探測器LISA，也將在該領(lǐng)域躍躍欲試。

為使天文學(xué)家更精確地探測到引力波的來源，在LIGO升級改造之時，LIGO團隊提出在印度放置第三個探測器的設(shè)想，并且已經(jīng)建造了一套相應(yīng)的組件，正在等待印度新政府的選址和撥款。從目前情況看，印度可能在2022年實施這個項目并為此耗資3.5億美元。

與上述這些引力波探測項目相比，大多數(shù)物理學(xué)家都對升級后的LIGO最終將發(fā)現(xiàn)引力波比較樂觀?！叭绻覀冞_到設(shè)計的靈敏度，但沒有得到任何探測結(jié)果的話，那么這將不得不回到理論這一塊，也不要期望NSF會幫助我們?！卑屠锼拐f。

或許，該領(lǐng)域的未來就在德羅薩和他同事們的手中。在利文斯頓控制室內(nèi)，皺著眉頭的德羅薩像以往一樣把目光盯在屏幕上，此時晚飯時間已到，仍沒有引力波的跡象，于是他像往常一樣和團隊其他人一起駕車前往餐廳。在駛向餐廳的路上，LIGO探測器上出現(xiàn)了一系列的波峰，但這些被捕捉到的雜亂波峰是這些研究者們開車所致……

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]