引力波探测热潮再起——这一次将借助量子力学之力

2019-04-26 09:24:55来源：Nature自然科研

升级后的LIGO和Virgo探测器将发布更加精准的“时空涟漪”数据。

引力波探测热潮再起——这一次将借助量子力学之力。美国LIGO(激光干涉引力波天文台)的两台探测器和意大利的Virgo引力波探测器在历经了19个月的关闭升级后，已于4月1日正式恢复数据采集工作。升级后的探测器不仅能发现更多的引力波(即时空涟漪，其背后蕴含了大量宇宙信息)，还能进行更详细的探测，这在一定程度上有赖于被称为“压缩光”(light squeezing)的量子现象。研究人员希望能捕捉到尚未探测到的事件，比如超新星或黑洞与中子星的并合。

Virgo引力波探测器位于意大利比萨附近，自2017年以来，其灵敏度已经提高了一倍左右。

此次运行将持续至明年3月，标志着引力波天文学研究的一次重大改变。LIGO和Virgo将首次公开发送实时的引力波探测信号，帮助其它天文台以及拥有望远镜的个人了解如何探测引力波事件，以便更多的传统设备，无论是射电望远镜还是天基X射线望远镜，都可以加入探测任务。据悉，LIGO和Virgo的探测信号还会通过一款手机App发布。加州理工学院物理学家、LIGO项目负责人David Reitze说：“天文学家早已迫不及待。”LIGO曾于2015年首次探测到引力波。

在此前的两次观测性运行中，LIGO的两台探测器一共发现了11个引力波信号，每个信号都来自一次剧烈的宇宙碰撞，其中10个都源自双黑洞并合。规模较小的Virgo探测器在2017年加入探测队伍后，协助完成了若干次探测，尤其是在2017年首次发现了双中子星并合产生的引力波，此次事件的探测数据帮助天文学家破解了多个宇宙奥秘。

Reitze认为，升级后的探测网络将能捕捉到更多事件，从平均每月一次上升到大约每周一次。虽然大多数事件可能还是黑洞并合，但物理学家迫切希望再发现一次中子星碰撞。

灵敏度升级

灵敏度增加有助于探测器更好地从持续的背景噪声中区分出真正的信号，为物理学家提供更多的引力波细节。这也能反过来检验广义相对论——爱因斯坦曾在广义相对论中预言引力波的存在。

澳大利亚莫纳什大学的理论天体物理学家Ilya Mandel表示，未来的探测应能解开黑洞在并合过程中的一些谜团，比如它们的自旋速度和方向。他说：“也许我们可以慢慢厘清黑洞究竟会不会优先对齐。”

如果两个黑洞的旋转轴相互平行，那就意味着它们拥有相同的起源，而且最初是两颗一起绕转的恒星;反之，如果两个黑洞的自旋为随机对齐，则说明它们拥有不同的起源，是后来才开始相互绕转的。

LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿的装置目前已经是最灵敏的引力波探测器，而升级后的灵敏度将再增40%。2017年，LIGO位于华盛顿州汉福德的干涉仪以及Virgo出现技术性障碍，影响了其探测能力，不过现已完成了部分追赶目标。意大利国家核物理研究院物理学家、Virgo的调试协调人员Alessio Rocchi表示，升级后的Virgo探测距离增至原先的两倍左右。

激光升级

此次灵敏度升级主要来自对天文台核心激光器的两处更改。

LIGO的两个探测器都是L形的真空系统，分别有两个 4公里长的干涉臂。意大利比萨附近的Virgo装置与此类似，但臂长只有3公里。探测器内部的两端设有反射镜，激光束会在反射镜之间来回折返。当引力波通过地球时，激光束长度会发生非常微小的改变。

为了让背景噪声中的信号更易被识别，LIGO和Virgo的物理学家增加了激光器的功率，并首次应用量子力学中的 “压缩光”。

真空中充斥着转瞬即逝的基本粒子。在引力波探测器中，这种随机涨落导致激光束中的光子在不可测的时候撞击反射镜。而这一直是LIGO和Virgo探测高频或者说高音引力波的主要障碍。不过，物理学家能利用压缩光来操控这种涨落，使之为己所用。于是，只要使部分涨落转向低频，就能进一步提升高频波的探测几率。

压缩光

几十年来，压缩光一直是量子光学实验的一件标准工具，并从2010年开始被应用于GEO600探测器——位于德国汉诺威，探测臂臂长600米，是LIGO的一个试验台。2010年，一支团队在GEO600探测器上首次测试了压缩光技术。

压缩光技术尤其适合探测双中子星并合以及较小黑洞所产生的引力波。这是因为较轻的天体相互呈螺旋状盘旋时，会在碰撞前以最高每秒500次的频率相互绕转，这会使引力波的“音高”(频率)大增，超出干涉仪的探测区间。提高探测器的灵敏度则有望一直追踪到天体最后的结局。

从现在起，引力波的每次成功探测都将公开发出实时信号。因此，全世界的天文学家都在准备跟进引力波的探测，利用传统技术，包括射电、光学和X射线天文台，检验相同事件。

LIGO和Virgo之前探测到双中子星并合产生的引力波时，全球各地的天文台都对事件进行了跟踪观测，这也是天体物理学界对“多信使”天文学的首次尝试。但是，之前想要跟踪观测的天文学家团队必须与LIGO–Virgo团队签署谅解备忘录，才能收到被视为机密的信号。此外，研究人员还必须遵守禁发期规定。但是从这次升级后运行开始，此类限制将全部解除。“如果他们在跟踪观测时发现了一个类似事件，他们想怎么做都可以。他们的发表内容和时间都将不再受限，” Reitze说，“这是一个很大的转变。”

与此同时，在日本新建的KAGRA引力波天文台里，研究人员正在紧锣密鼓地调试他们的探测器，力争在2020年初加入探测队伍。第四台探测器的加入将大大提升对这类宇宙事件的定位精度。

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