为了探测更远的引力波，科学家想建个城市大小的探测器

引力波是空间和时间基本结构的波动。资料来源:Shutterstock

俄亥俄州哥伦布市——2.5英里的引力波探测器不够酷。你知道什么是真正酷的吗？25英里长的引力波探测器。

这是美国物理学会四月会议上举行的一系列会谈的结果。下一代引力波探测器将凝视哈勃体积的边缘，以发现时空结构的波动。爱因斯坦预言，当像黑洞这样的大质量物体相撞时，会出现这种波动。然而，这位发言人表示，该项目仍面临一些重大挑战。

麻省理工学院的物理学家马修·埃文斯告诉观众:“你可能认为目前的探测器已经非常敏感了。”。"这在某种程度上是正确的，但是它们是探测引力波的最不灵敏的探测器."

当然，电流检测器不可低估。当4公里长的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在2015年首次探测到时空膨胀和收缩时——这是13亿年前两个黑洞碰撞留下的引力波回声——它证明了一个巨大的无形引力波的存在，这个引力波曾经完全是理论性的，并在短短两年内为LIGO的创造者赢得了诺贝尔奖。

但这位发言人说，LIGO及其位于意大利的兄弟处女座基本上能力有限。麻省理工学院的物理学家萨尔瓦托勒·维塔莱说，这两个探测器只能真正发现“相对”接近地球的引力波。它们也受限于可以检测的对象类型。

到目前为止，目前这一代干涉仪实际上只取得了两个主要成果:2015年发现了黑洞融合，2017年8月发现了两次中子星碰撞。他们还发现了许多黑洞碰撞，但迄今为止还没有比第一次探测更重要的结果。

埃文斯说，如果建立一个更大、更精确的LIGO和处女座，或者另一个叫做爱因斯坦望远镜的大型探测器，波的探测率会从几个月一次激增到一年100多万次。

三角形的爱因斯坦望远镜是一个大型引力波探测器，它至少需要10年的时间来开发。资料来源:欧洲粒子物理研究所

“这些探测器可以把我们带到宇宙的边缘。我的意思是，他们可以检测到几乎每一个融合的二元系统。”双星系统是指一对碰撞的恒星、黑洞或中子星。

这意味着人类可以探测到早期宇宙中的黑洞、重力的深刻秘密，甚至是恒星爆炸成超新星并最终第一次坍缩成中子星或黑洞时产生的引力波。

越大越好。

那么为什么更大的探测器会导致对引力波更敏感的搜索呢？要理解这一点，你必须了解这些探测器是如何工作的。

正如《生活科学》之前报道的，LIGO和处女座的形状像一个巨大的正方形。两条隧道以直角相互分开，隧道的长度用极细的激光即时测量。当引力波穿过探测器并扭曲空间本身时，长度会有轻微的变化。一英里一次，长度暂时变得短于一英里。激光以稍快的速度通过一小段距离，这表明发生了变化。

然而，测量的精度是有限的。对于干涉仪来说，大多数波对激光的干扰太小。埃文斯说，改进LIGO和处女座现有隧道的探测技术可以改善这种情况，并计划在现阶段这样做。但是他说，真正放大信号的唯一选择是让探测器更大。

埃文斯说，下一阶段的目标是建造一个臂长40公里的L形探测器，这是LIGO的10倍。他称这个提议为“宇宙的探索者”

那么，为什么要建造这样大的探测器，而不是两倍或十倍大的探测器呢？

埃文斯说，在某个长度上，大约40公里，光从隧道的一端移动到另一端需要太长时间，因此实验可能变得模糊，结果变得不太准确。

埃文斯说，成本是一个更大的挑战。LIGO和处女座足够小，所以地球的曲率不是主要的建筑挑战。但是当长度达到40公里，每个隧道的两端都在地面上，这意味着隧道的中心必须在地下30米。

“40多公里，”埃文斯说，“从长隧道中挖掘出来的泥土的运输距离将导致资金的燃烧。”

另一个基本问题是找到一个足够大的平面空间来建造这样一个大型探测器。埃文斯说，欧洲基本上没有足够的空间，而在美国，这些选择仅限于犹他州的大盐湖地区和内华达州的黑岩沙漠。

这些太空挑战推动了另一个巨大引力波探测器的设计，叫做爱因斯坦望远镜。埃文斯说，尽管L形是测量引力波的最佳方式，但一个有三个隧道和多个探测器的三角形可以在占用较少空间的情况下获得相似的结果，这是欧洲地理限制的理想选择。

维塔莱说，完成探测器需要15到20年的时间，制造探测器所需的一些技术还没有发明出来。然而，他和埃文斯都告诉聚集在一起的科学家，“是时候开始研究他们了，”维塔莱说。八个工作组已经编写了一份报告，将于2018年12月公布此类大型设备的科学依据。

一名观众问埃文斯建造一个8公里长的探测器是否有意义，因为一个真正的太空探索者或者一个全尺寸的爱因斯坦望远镜还需要10年时间。

埃文斯说，如果他是一个资助委员会的成员，他不会批准这样一个项目，因为将LIGO的规模扩大一倍的科学回报并没有那么大。他补充说，这样一个项目的成本是合理的，只有在隧道大小的上限。

他说:“除非我出于某种原因得出这个结论，否则不值得。”

然而，维塔莱说，这并不意味着科学家要等15到20年才能获得下一个主要的引力波结果。越来越多的大型探测器正在出现，包括处女座大小的香川引力波探测器(KAGRA)和LIGO大小的LIGO印度在日本。随着现有探测器的改进，研究人员将有机会从更多的角度测量引力波实例，获得更多的探测结果和更详细的结论，从而了解它们的来源。

蝌蚪工作人员从现场科学，翻译李同信编译，转载必须授权。