□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

重訪愛因斯坦：尋找縹緲的引力波

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

何銳思（Richard de Grijs）

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

近日，“升級版L I GO”項目已經(jīng)就緒，準(zhǔn)備迎接它的首次科學(xué)觀測。LI GO意為激光干涉引力波觀測臺（Laser Int erf eromet er Gravitational-W ave O bservatory），高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）是LIGO經(jīng)過大規(guī)模升級后的版本。LIGO包括位于美國路易斯安那州列文斯頓（Livingston）和華盛頓州漢福德（Hanf ord）的兩臺獨立的探測器，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院設(shè)計并運作，旨在觀測時空連續(xù)體上的漣漪——引力波。盡管升級后的天文臺已于2015年5月19日正式竣工，不過為了使它能夠盡快真正投入工作，科學(xué)家們夜以繼日地奮戰(zhàn)直至今日。

“我們花了7年時間裝配這臺史上最靈敏的引力波探測器。到目前為止，設(shè)備的調(diào)試非常順利，我們十分期待201 5年下半年高新激光干涉儀引力波天文臺的首次科學(xué)工作。那將是這一領(lǐng)域激動人心的時刻?！盠IGO項目加州理工學(xué)院負(fù)責(zé)人大衛(wèi)?瑞茲（David Reitze）說。

引力波是愛因斯坦在一百年前提出的廣義相對論所做出的預(yù)言，它產(chǎn)生于宇宙中諸如恒星爆炸或黑洞碰撞之類的劇烈事件。就像電荷的加速運動能產(chǎn)生電磁波（如天線中電子的振蕩運動），質(zhì)量的加速運動則會產(chǎn)生引力波。當(dāng)這些時空連續(xù)體上的漣漪傳播到地球上，它們不僅能給我們帶來源天體的信息，而且也透露出引力在極端條件下的性質(zhì)——這是其他探測手段所無法獲得的。

“50年來，人們通過實驗尋找引力波的努力從未停止，但是始終一無所獲。引力波實在罕見，而且它們的振蕩微弱至極?！比鹌澱f。

LIGO項目最初在20世紀(jì)90年代提出，在2002年投入觀測，但是并沒有探測到引力波。由于這只是第一次嘗試，所以科學(xué)家們并不氣餒，并決定對LIGO進(jìn)行大規(guī)模改造——靈敏度要提高十倍以上，使得可觀測的目標(biāo)數(shù)量增加超過一千倍。這樣，預(yù)計每年平均能夠出現(xiàn)40次可觀測的信號。

“為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們從初代LIGO那里吸取了很多教訓(xùn)，并且結(jié)合全世界的研究成果和技術(shù)發(fā)展，重新設(shè)計了探測器?！甭槭±砉W(xué)院高新激光干涉儀引力波天文臺項目帶頭人大衛(wèi)?舒梅克（David Shoem aker）說。

這次升級的內(nèi)容包括激光器（180瓦高穩(wěn)定性系統(tǒng)）、透鏡（40千克重、懸吊在石英纖維上作為“檢驗質(zhì)量”的熔石英鏡面）、減震系統(tǒng)（使用慣性感應(yīng)和反饋技術(shù)）以及如何探測檢驗質(zhì)量所做的微小移動（小于1018分之一米）的方法。

“高新激光干涉儀引力波天文臺的首次科學(xué)觀測所使用的干涉儀將能‘看’到初代LIGO目力所及三倍遠(yuǎn)處的事件?！贝笮l(wèi)?舒梅克補充說，“因此我們能夠探測的空間范圍將比原來大得多?！?/p>

LIGO干涉儀的L型臂每條長4千米，一束激光在其中一分為二，并且在抽成真空的管道中來回反射。利用這兩束激光形成的干涉圖像，可以監(jiān)測兩個固定的反射鏡之間的距離。根據(jù)愛因斯坦的相對論，當(dāng)引力波經(jīng)過地球時，這兩個鏡面之間的相對距離會有微小的改變。

LIGO原來的設(shè)備能夠探測到4千米臂長上相當(dāng)于質(zhì)子直徑千分之一的微小變化，如同一根頭發(fā)絲的寬度之于地球到最近的恒星的距離（約4光年）。而在其基礎(chǔ)上改造的高新激光干涉儀引力波天文臺威力還要強大得多。

LIG O觀測站呈L型布局。[圖片來源：Advanced LIGO]

兩個黑洞的合并。[圖片來源：NASA]

初代LIGO的觀測并沒有確認(rèn)引力波的存在，不過人們精確地測出了引力波對于一個雙脈沖星系統(tǒng)PSR B1913+6的影響，它與理論的預(yù)言完全吻合。這個系統(tǒng)包含兩顆繞公共質(zhì)心運行的中子星（恒星死亡后留下的致密核心），由于引力波帶走了能量，兩顆子星的軌道正在緩慢地收縮。這種已經(jīng)進(jìn)入演化極晚期——即將或者正在經(jīng)歷最終不可避免的兩星碰撞——的雙星系統(tǒng)，是高新激光干涉儀引力波天文臺觀測計劃中的核心目標(biāo)?；谥T如上述的觀測，科學(xué)家已經(jīng)堅信引力波的存在；不過直接探測到引力波，將會確認(rèn)愛因斯坦為它勾勒的形象，并為我們觀測宇宙中的劇烈的災(zāi)難性事件打開新的窗口。

“最終，高新激光干涉儀引力波天文臺將能夠看到初代LIGO目力所及十倍遠(yuǎn)的地方。根據(jù)理論的預(yù)言，每年應(yīng)該能探測到很多中子星雙星合并的事件?！比鹌澱f。

改造后的設(shè)備將能夠看到大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)生命的最后幾分鐘：兩個黑洞沿著螺旋形的軌道相互接近，最終融合成一個更大質(zhì)量的黑洞，并產(chǎn)生強烈的震動，如同兩個肥皂泡合二為一時那樣。高新激光干涉儀引力波天文臺還將能夠探查到脈沖星以10赫茲到1000赫茲自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的周期性信號。另外，高新激光干涉儀引力波天文臺還會用于尋找宇宙的引力波背景輻射，以檢驗我們對于大爆炸后10-35秒宇宙如何演化的理論是否正確。

“我們預(yù)計將在五年之內(nèi)完成探測器的優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計的靈敏度。”瑞茲說，“我們努力了很久，現(xiàn)在對引力波的監(jiān)測重新開始，我們都很興奮?！?/p>

“原來的探測器能夠探測到最遠(yuǎn)約5000萬光年的事件，”西澳大學(xué)教授大衛(wèi)?布萊爾（David Blair）說，“但是即使在這個距離上，我們也只能期待每100年發(fā)生一次（引力波）事件。如果能把探測器的靈敏度提高10倍，那么就能看到宇宙中10倍遠(yuǎn)的地方，而可觀測的空間范圍將是原來的1000倍?！?/p>

研究者使用位于澳大利亞西部金金（Gi ngi n）的引力研究中心的設(shè)備小心地加熱高新激光干涉儀引力波天文臺的鏡面，使其形狀產(chǎn)生微小的變化，以提高探測器的靈敏度，使得它能夠感受到來自2億光年遠(yuǎn)的引力波。

2005年，大衛(wèi)?布萊爾的團(tuán)隊預(yù)言了一種“參數(shù)不穩(wěn)定”的問題：激光有時候會被鏡面的熱運動彈回，產(chǎn)生額外的振蕩。2014年11月高新激光干涉儀引力波天文臺開機時，人們確實發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

“這有點像廣播里的尖嘯聲（麥克風(fēng)的位置放得不好時，會有忽然增強的尖嘯聲），因此我們研發(fā)了一整套設(shè)備來控制探測器中的這種不穩(wěn)定性，在未來的幾年里，我們還會繼續(xù)使用它們?！贝笮l(wèi)?布萊爾說。

“原來的探測器能夠探測到最遠(yuǎn)約5000萬光年的事件?！贝笮l(wèi)?布萊爾說。[圖片來源：NASA Goddard Space Flight Center]

同在西澳大學(xué)、由溫琳清教授領(lǐng)導(dǎo)的另一個團(tuán)隊則研究出了一種實時揀選信號的方法。而在過去，這項工作需要花費幾周乃至幾個月的時間。他們研發(fā)了一種電子“耳”軟件，將大大改進(jìn)目前的引力波搜尋工作。

該軟件能夠識別出不同的頻率變化模式，就像人的大腦從耳蝸毛細(xì)胞那里接收神經(jīng)信號并對其不同模式產(chǎn)生識別，以此辨別出我們聽到的不同的聲音一樣。LIGO探測器工作的頻率范圍是從10赫茲到3000赫茲。我們關(guān)心的由引力波產(chǎn)生的振動幅度只有1020分之一米的量級，相當(dāng)于一個質(zhì)子直徑的十萬分之一。但是引力波信號有一種特征：它會像小鳥的啁啾聲那樣急劇地提高音調(diào)，利用這一點我們能夠很快識別出它們。如果位于美洲大陸兩端的兩個或者更多的探測器都探測到了同一個信號，那么這將被看作是引力波存在的證據(jù)。

這個電子“耳”的想法來自加州理工學(xué)院陳雁北教授的工作，不過將其付諸實踐的是溫琳清教授和三名博士生。“這一系統(tǒng)安裝在計算機顯卡上，我們得益于由于計算機游戲的需要而發(fā)展起來的高速顯卡處理器?！贝笮l(wèi)?布萊爾說。

為了讓靈敏的儀器能夠發(fā)揮作用，它們需要抵御周遭從地震、強風(fēng)到科學(xué)家騎車經(jīng)過所帶來各種振動噪聲。只有這些噪聲都被抵消掉，LIGO才有可能探測到那些由超新星爆發(fā)或者黑洞融合事件產(chǎn)生的引力波所帶來的、微弱得超出想象的振動。這些引力波攜帶著它們的源天體以及有關(guān)引力本身性質(zhì)的關(guān)鍵信息。因此，對它們的探測將為天文學(xué)研究開啟新的窗口。

加州理工學(xué)院、噴氣推進(jìn)實驗室和藝術(shù)中心設(shè)計學(xué)院聯(lián)合組織了名為“數(shù)據(jù)可視化暑期實習(xí)”的項目，他們讓參與的學(xué)生幫助確認(rèn)一個探測器上出現(xiàn)的尖峰信號是引力波還是其他普通的振動。為此，他們研發(fā)了彩色可視化程序，以表征信號與已知事件的關(guān)聯(lián)，如下圖所示。

左邊的表盤表示每個事件被記錄的時間；右邊每條棒的長度表示事件的強度，連接兩條棒的線表示兩個事件之間相關(guān)聯(lián)的程度。與LIGO已有的分析方法相結(jié)合，這種直接觀看“事件”的新方法能夠幫助研究者辨別并排除地球上噪聲信號的影響。這直接提高了LIGO探測器對天文事件的探測能力，使得人們對虛無縹緲的引力波的探測變得容易多了。

“當(dāng)高新激光干涉儀引力波天文臺開始工作時，全世界都將會注目，而且明年室女座激光干涉儀引力波探測器（Vi rgo，意大利和法國聯(lián)合建造）和今后其他探測器的加入會共同組成一個國際觀測網(wǎng)?！泵绹芬姿拱材侵萘⒋髮W(xué)物理和天文學(xué)系加布里拉?岡薩雷斯（Gabri el a Gonz á l ez）教授說，“LIGO聯(lián)合團(tuán)隊已準(zhǔn)備好徹底、及時地分析引力波探測器的數(shù)據(jù)，以推進(jìn)我們對天體物理學(xué)的認(rèn)識。期待未來幾年能有重要的結(jié)果?！?/p>

高新激光干涉儀引力波天文臺漢福德觀測站控制室的技術(shù)員正在為第一次全面運行做準(zhǔn)備。[圖片來源：Caltech/ M I T/L I G O Laboratory]

高新激光干涉儀引力波天文臺是迄今人類所做出的最為靈敏的測量儀器。[圖片來源：Advanced LIGO]

用來篩查引力波信號的超級計算機。[圖片來源：AE I/M. Fiorito]

“我在通過實驗搜尋引力波方面工作了很多年，以我個人的經(jīng)驗來看，可以說，這是對于直接探測引力波這一領(lǐng)域極為重要的時刻，”Vi rgo聯(lián)合發(fā)言人、羅馬第一大學(xué)實驗物理學(xué)教授富爾威爾?里奇（Fulvio Ricci）說?！案咝录す飧缮鎯x引力波天文臺投入運行，是建立由先進(jìn)的探測器組成的國際觀測網(wǎng)的最重要一步。Virgo和LIGO過去曾收集數(shù)據(jù)并做出過一些有意思的成果。而現(xiàn)在，做出新發(fā)現(xiàn)的時機已經(jīng)成熟，我們將為基礎(chǔ)物理學(xué)和天文學(xué)教科書寫下新的一章?！?/p>

“能夠成為建造迄今最為靈敏的探測器的國際合作項目中的一員，我感到非常振奮?，F(xiàn)在，我們正在‘監(jiān)聽’宇宙中最微弱的信號，它們卻是由最猛烈的事件所產(chǎn)生的?！卑拇罄麃唶⒋髮W(xué)量子科學(xué)系教授大衛(wèi)?麥克里蘭（Davi d M cClelland）說。“看著LIGO一步步成長真是讓人激動，每過一年，你都會發(fā)現(xiàn)新知識和新技術(shù)變得更有意義?！卑拇罄麃喲芯课瘑T會首席執(zhí)行官艾丹?拜恩（Aidan Byrne）補充道。

事實上，這對天文學(xué)和基礎(chǔ)物理來說都是激動人心的時刻。我們正站在一扇大門前，門后面是為電磁光譜所遺漏的一片廣大的區(qū)域，在那里我們能夠?qū)σΜF(xiàn)象的基本原理做出根本性的檢驗。