引力波探測的未來

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(jìn)行升級(jí)

● 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?duì)引力波探測最為敏感的儀器。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(jí)，該項(xiàng)目將面臨不得不最終兌現(xiàn)其承諾的殘酷現(xiàn)實(shí)。

在路易斯安那州巴吞魯日東面的濕地中，對(duì)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(gè)下午6點(diǎn)），在利文斯頓市激光干涉引力波天文臺(tái)（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(shí)會(huì)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(gè)長達(dá)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(tuán)隊(duì)，正致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)LIGO的一個(gè)主要升級(jí)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(shí)所產(chǎn)生的獨(dú)特振蕩——這個(gè)時(shí)空漣漪是愛因斯坦在幾乎100年以前預(yù)測的——但時(shí)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(tuán)隊(duì)將于幾個(gè)月內(nèi)抵達(dá)。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(shí)將會(huì)成為世界上對(duì)引力波探測最敏感的儀器，LIGO小組因此很有可能會(huì)成為第一個(gè)直接探測到引力波的研究團(tuán)隊(duì)。

尋找引力波的直接證據(jù)將把天文學(xué)推向新的時(shí)代。天文學(xué)家聲稱，如果找到成千上萬個(gè)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(shí)空振動(dòng)的秘密。屆時(shí)，引力波會(huì)徹底打開一個(gè)動(dòng)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)。現(xiàn)在，隨著設(shè)備的升級(jí)，該項(xiàng)目將面臨不得不最終兌現(xiàn)其承諾的殘酷現(xiàn)實(shí)。

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(rèn)為是來自外力擾動(dòng)整個(gè)時(shí)空的宇宙事件，如一顆即將要爆炸成超新星的垂死恒星會(huì)產(chǎn)生大量的引力波，或如同地震時(shí)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(gè)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(huì)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(yuǎn)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(gè)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(duì)雙星的無數(shù)脈沖信號(hào)的計(jì)時(shí)。這些計(jì)時(shí)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(gè)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(jiǎng)。

直接觀測引力波的首次嘗試是在二十世紀(jì)六十年代初，即對(duì)引力波經(jīng)過鋁質(zhì)圓柱體時(shí)所引起的振動(dòng)進(jìn)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(jì)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(dāng)經(jīng)過一個(gè)物體時(shí)——在這種情況下，物體就是兩條通道——它們會(huì)沿著一個(gè)方向輕微膨脹的同時(shí)，而在另一個(gè)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(huì)（NSF）通過撥款2.72億美元建造一個(gè)專門探測引力波的干涉儀 （即現(xiàn)在的LIGO）計(jì)劃。該計(jì)劃要建造兩臺(tái)一模一樣、彼此相隔數(shù)千公里的探測器，其中一臺(tái)選址在華盛頓的漢福德市，另一臺(tái)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(jí)的LIGO，探測是非常可能的。”問題是LIGO對(duì)于引力波的探測仍然是不確定的。“當(dāng)初次提出LIGO計(jì)劃時(shí)，我們考慮的唯一觀測源是超新星，”魏斯說，“我們認(rèn)為每年都會(huì)探測到1次或許10次引力波。”但是，升級(jí)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(huì)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(zhǔn)，該項(xiàng)目的科學(xué)家們對(duì)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(shí)到當(dāng)這些恒星相撞時(shí)，它們會(huì)釋放出清晰的、易于被探測到的引力波信號(hào)，而該信號(hào)的頻率范圍對(duì)LIGO的靈敏度來講足以探測到。即便靈敏度相對(duì)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(hào)。

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(duì)LIGO的進(jìn)展?jié)M意，以至于在2008年再次劃撥2.05億美元用于升級(jí)LIGO。

升級(jí)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(yùn)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(jìn)入了探測器的可觀測范圍內(nèi)——一旦升級(jí)的LIGO達(dá)到設(shè)計(jì)的靈敏度，那么它每年或?qū)?huì)探測到多個(gè)引力波。

規(guī)避那些吵鬧的“鄰居”

首先，要完成對(duì)LIGO系統(tǒng)的升級(jí)工作。2011年，工程師們開始把一些更精細(xì)的組件替換掉LIGO的一些原有組件 （當(dāng)引力波經(jīng)過兩個(gè)4 000米的通道時(shí)，LIGO性能是由其測量引力波引起扭曲的精準(zhǔn)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(gè)精度相當(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一。為了將靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(jī)震動(dòng)。

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(yán)重時(shí)，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(shí)產(chǎn)生的噪音，利文斯頓實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家布萊恩·奧賴?yán)?（Brian O'Reilly）將其稱為“LIGO的克星”。好在升級(jí)過程中，設(shè)計(jì)方案調(diào)整了系統(tǒng)以規(guī)避上述噪音的影響。升級(jí)的LIGO還包含了更強(qiáng)大的激光，再加上一套用來增加探測器對(duì)測量光子靈敏度的回收系統(tǒng) （LIGO的光子注入有一個(gè)上限，光子越多，白噪音效應(yīng)就越大，過高的白噪音會(huì)抵消掉探測到的信號(hào)）。

6月29日，在利文斯頓市，LIGO在兩個(gè)多小時(shí)時(shí)間里成功實(shí)現(xiàn)了鎖定（這個(gè)里程碑的工作比預(yù)期早幾個(gè)月）。如果調(diào)試順利的話，根據(jù)進(jìn)度，將在2015年末開啟LIGO第一階段的升級(jí)觀測運(yùn)行。第二階段運(yùn)行，將在2016年至2017年的冬季開始，屆時(shí)很有可能取得突破性進(jìn)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(xiàn)禮）。第三階段的運(yùn)行計(jì)劃將于2017年至2018年進(jìn)行，相信那時(shí)LIGO的敏感度能夠準(zhǔn)確地鎖定引力波信號(hào)。

然而，這在很大程度上取決于兩臺(tái)LIGO的升級(jí)進(jìn)度。研究團(tuán)隊(duì)目前已決定將目標(biāo)放在來自雙中子星的相對(duì)較低的頻率上，原因他們并不太在意LIGO在高頻下的升級(jí)，除非他們已經(jīng)探測到了第一個(gè)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(gè)新高潮。一份報(bào)告聲稱，位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)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(dāng)論文于6月正式發(fā)表時(shí)，他們坦承不能完全排除探測到的這種引力波信號(hào)或是星系塵埃所產(chǎn)生的“假信號(hào)”。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(shí)間間隔發(fā)出信號(hào)）以及國際脈沖星計(jì)時(shí)陣（IPTA）成員，他們希望通過引力波影響脈沖計(jì)時(shí)的方式來捕獲引力波。IPTA負(fù)責(zé)人斯科特·蘭索姆（Scott Ransom）說：“我總是調(diào)侃LIGO項(xiàng)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(jì)時(shí)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(fù)責(zé)人約瑟夫·賈埃姆（Joseph Giaime）說，任何的直接探測都將會(huì)提振這一領(lǐng)域。“如果幾十年過去了還是一無所獲的話，人們就會(huì)懷疑其相關(guān)理論。” 其中與LIGO最為接近的一個(gè)競爭對(duì)手是位于意大利比薩附近的激光干涉引力波探測項(xiàng)目Virgo。Virgo如同是LIGO的“小妹妹”：一個(gè)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(biāo)主要集中在碰撞中的雙中子星，自2007年運(yùn)行至今，也沒有發(fā)現(xiàn)引力波。Virgo目前也在升級(jí)改造，并計(jì)劃在LIGO升級(jí)后的一年左右與其聯(lián)機(jī)，以分享各自的數(shù)據(jù)。意大利國家核物理研究所Virgo項(xiàng)目負(fù)責(zé)人喬瓦尼·洛蘇爾多（Giovanni Losurdo）認(rèn)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(zhǔn)確捕獲到任何引力波信號(hào)源。

當(dāng)Virgo和LIGO升級(jí)之際，德國的GEO600引力波觀測站——帶有兩個(gè) 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(duì)差一些。包括將最早于2018年運(yùn)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(gè)1萬米臂長的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡，以及歐空局（ESA）計(jì)劃于2034年發(fā)射一個(gè)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(jí)改造之時(shí)，LIGO團(tuán)隊(duì)提出在印度放置第三個(gè)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(shí)施這個(gè)項(xiàng)目并為此耗資3.5億美元。

與上述這些引力波探測項(xiàng)目相比，大多數(shù)物理學(xué)家都對(duì)升級(jí)后的LIGO最終將發(fā)現(xiàn)引力波比較樂觀。“如果我們達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)幫助我們。”巴里斯說。

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(shí)晚飯時(shí)間已到，仍沒有引力波的跡象，于是他像往常一樣和團(tuán)隊(duì)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]