全球最大引力波天文台蓄势待发

围绕引力波的探测，研究者之间的竞争非常激烈，因为引力波的直接探测将开启天文学的新时代。

利文斯顿市的LIGO引力波探测器

资料来源:迈克尔·菲夫

在巴吞鲁日市以东的路易斯安那沼泽，每天对引力波的搜寻要到下午才会正式开始。它注定无法在早上开始这项研究，因为附近到处都是州际公路上嘈杂的交通，火车的汽笛声和伐木工人手中锯木厂断断续续的声音。

瑞安·德·罗萨是路易斯安那州立大学的物理学家，他非常清楚等待他的是漫长的一夜。罗莎和其他六名科学家和工程师正在努力升级探测器，以便完全控制位于研究设施中心的红外激光束。通过精确控制光束的投射方向和精确测量光束通过的距离，LIGO团队希望观察到引力波产生的异常振幅。爱因斯坦在将近100年前就预言了在空间和时间上会有引力波，但是引力波的振幅非常小，到目前为止还没有研究人员能够直接探测到它。

另一组来自汉福德核设施的研究小组将在不久的将来抵达LIGO的大院。该团队使用与LIGO相同的研究设备。如果这两个研究团队能够联合起来，连接起来的设备将价值6.2亿美元，并且可以在明年开始收集数据。升级后的设备将成为世界上对引力波最敏感的探测器，并可能帮助LIGO成为第一个直接探测引力波的研究团队。

围绕引力波的探测，研究者之间的竞争非常激烈，因为引力波的直接探测将开启天文学的新时代。天文学家称，找到引力波的来源将为他们探索黑洞碰撞、恒星湮灭和时空振动的秘密提供新的研究方法。引力波是研究动态宇宙的一个窗口。

无处不在，几乎看不见

理论上，地球充满引力波，它可以来自任何破坏宇宙时空稳定性的事件，就像地震时产生的地震波一样。一颗垂死的恒星将继续爆炸成超新星，在爆炸过程中释放出大量引力波。非均匀高密度物体释放的引力波相对来说更有节奏，比如自旋速度极快的中子星。能够产生引力波的其他来源还可能包括相互环绕的黑洞和中子星。它们将在运动过程中不断相互靠近，最终爆发出毁灭性的碰撞。

1992年，经过几十年的规划、修改和原型设计，国家科学基金会(NSF)决定拨款2.72亿美元(2008年的购买力为4.2亿美元)建造一个专门用于引力波探测的干涉仪，并将其命名为LIGO。该计划需要两个相隔数千公里的相同探测器，以形成交叉探测队形，从而提高精确度。一个在华盛顿，另一个在路易斯安那州的利文斯顿。

LIGO的问题是它能在多大程度上观察到引力波。物理学家雷纳·韦斯说:“当我们第一次提出LIGO时，唯一的观测来源是超新星。我们认为，通过观察超新星，我们每年可以探测一次甚至十次引力波。”然而，升级后的计算机模拟给出了一个更准确的答案，研究人员每年可能观察到的引力波能量波动远低于最初的预期。即使超新星离地球非常近，研究人员仍可能无法探测到任何东西。

另一个担忧指向中子星。研究人员担心，LIGO无法直接观察处于极端不稳定状态的中子星的引力波。去年担任LIGO外部科学顾问团主席的马里兰大学理论天体物理学家科尔·米勒说:“研究人员对一些引力波源的探测持乐观态度，但实际情况并非如此。”

然而，随着时间的推移，引力波探测正在不断取得进展。LIGO科学家对通过观察中子星探测引力波越来越乐观。他们意识到，当这些恒星相互碰撞时，它们会释放出易于探测的纯引力波信号，LIGO足够灵敏，可以确保这些信号不会从视线中消失。这是因为即使在LIGO设备升级之前，它就能探测到距离地球2000万秒(6500万光年)的两颗中子星之间的碰撞信号。

升级后，LIGO对引力波信号的敏感度将稳步提高，最终达到10倍。因此，升级后的LIGO的观测距离将不再限于2000万秒，而是将增加到1.5亿秒，甚至2亿秒。这使LIGO对宇宙的观察增加了1000倍，并大大增加了直接探测引力波的可能性。

“吵闹的邻居”

利文斯顿市的噪音问题尤为突出。此外，距离探测器几公里远的是州际公路和铁路，汽车可以在这些公路和铁路上来来去去。根据这项调查，研究人员早在1988年就警告过噪音对研究的负面影响，但是这个问题并不像报告显示的那样不可调和。路易斯安那州参*、*党人班尼特·约翰逊敦促国家科学基金会向LIGO拨款，帮助项目顺利进行。实际上，利文斯顿在引力波探测方面有许多优势:地震少，地形平坦。此外，由引力物理学家组成的研究小组已经在附近的路易斯安那州立大学成立，LIGO可以随时得到学者的支持。LIGO项目的规划者认为，上述优点足以弥补噪音带来的缺点。

关于噪音问题，指出测井作业尤为重要。利文斯顿实验室的高级研究员布莱恩·奥赖利认为，伐木对LIGO来说是一种长期毒药。他经常走到窗前，愤怒地向外面已经被伐木工人“清理”的田地挥挥手。奥赖利说:“我们不能告诉伐木公司，他们必须停止作业，以确保我们能顺利探测到引力波。”然而，测井并不是每天都发生，在一起很长时间后，LIGO的工程师学会了调整仪器的频率，以避免噪音的影响。

升级后的LIGO将配备强大的红外激光器和回收系统，以提高探测器对光子的灵敏度，并使探测器更有效地探测引力波。因为对于探测器来说，它能探测到的光子越多越好——光子越多，白噪声效应越大，太多的噪声会破坏探测到的信号。

LIGO实验室执行主任大卫·雷兹透露，如果LIGO项目进展顺利，升级后的LIGO一期项目将于2015年底正式启动。该项目的第二阶段将于2016年至2017年进行，届时有可能取得突破——首次直接探测引力波。韦斯特别指出，2016年是爱因斯坦在论文中提出引力波概念的100周年。如果引力波在2016年被探测到，这将是最好的纪念礼物。该项目的第三阶段将于2017年至2018年进行，届时引力波信号将被非常准确地锁定。

全球竞争

利文斯顿周围的其他几个研究小组也在试图寻找引力波，他们都有能力在LIGO之前找到引力波。引力波和光一样，混合在不同频率的波长中，在射电望远镜和X射线望远镜中呈现出各种各样的现象。因此，引力波的探测也应该通过各种波长来发现。麻省理工学院物理学家、LIGO大学校长舒德伟说:“每个研究团队都有自己独特的亮点。”

今年3月，引力波研究达到了新的高潮。南极的研究人员报告说，他们用BICEP2望远镜探测到了大爆炸后最初几个月发射的原始引力波。原始引力波遍布整个宇宙，它们的波长远远超出了LIGO能探测到的范围。BICEP2团队最初报告收到了强信号，但当该论文于6月正式发表时，他们承认不能完全排除引力波信号来自宇宙尘埃的可能性。

世界其他地方也安装了类似的检测设备。德国汉诺威有一套名为GEO600的干涉仪。虽然它远不如LIGO干涉仪灵敏，但当引力波出现时，一套干涉仪总比没有强。5月份的经验证明了这一点，当时美国宇航局的斯威夫特太空望远镜报告说，在附近的仙女座星云发现了高能喷发信号。尽管这最终被证明是一场虚惊，但如果发生恒星爆炸和毁灭，LIGO将错过千载难逢的观测机会。路易斯安那州立大学的物理学家、LIGO科学合作组织的发言人加布里埃拉·冈萨雷斯说:“如果我们在信号消失之前不打开干涉仪，那对我来说将是一场噩梦。”

升级后的LIGO将有足够的资金维持运营至2018年10月。一些科学家透露，即使到那时LIGO没有达到目标，它在未来五年从国家科学基金会获得运营资金也几乎没有问题。如果高频噪音可以通过升级来降低，LIGO对引力波的敏感度可以进一步提高。目前，LIGO的未来命运牢牢掌握在罗莎和她的同事手中。(段鑫)

《中国科学日报》(2014年7月22日，第三版国际版)

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