“科學重器”實現重大升級引力波事件或成為常態
2019年4月1日，全世界的天文學家、物理學家迎來了一個期待已久的大事件：經過對激光、反射鏡及一系列設備的重大升級，位於美國的激光干涉引力波天文台（ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）與歐洲的室女座干涉儀（Virgo interferometer），大幅提升了自己的探測靈敏度，正式啟動了為期一年的第三輪引力波探測實驗（O3）。
圖|LIGO與引力波（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
升級後，LIGO 和Virgo 發現引力波事件的概率將顯著增加，開啟了人類探索宇宙的新篇章。
三年半以前的2015 年9 月14 日，LIGO 和Virgo 成功探測到了由十幾億光年之外的兩個黑洞合併所產生的引力波，讓人類第一次觀察到了引力波——這個愛因斯坦在一百年前預測出的時空漣漪。短短兩年之後，主持LIGO項目的雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）就因此斬獲2017年諾貝爾物理學獎，足見這項發現帶給科學界的巨大震撼。
而在剛剛完成的這次升級中，LIGO 的靈敏度提升了40%，將人類探測中子星合併引力波事件的極限距離，從約3.6 億光年大幅提升至5.5 億光年。而Virgo的靈敏度則直接提升了將近100%。
LIGO 與Vigro 一共有3 台探測器，它們通過協同工作發現引力波事件的頻率，將有望從之前的三年多11次，提升至驚人的每週5 到10 次。也就是說，從前天開始，人類對引力波事件的發現速度，將從“涓滴細流”，變成“滔滔江水，奔湧不絕”。
從愛因斯坦開始，一百年來無數科學家夢寐以求、甚至奮鬥一生，才終於盼來了的幾次零星的發現，從前天起，將變成每天都可以期待的常態。對於這麼重大的進展，科學界是非常興奮的。
圖 | LIGO（圖片來源：MIT TECHNOLGY REVIEW）
除了黑洞合併，提升了靈敏度的LIGO 與Vigro 還有望發現更多的中子星合併、尚未觀測到的黑洞-中子星合併，以及其它一系列人們期待已久卻很難一探究竟的宇宙事件。
工欲善其事，必先利其器。如果說，2015 年LIGO 與Vigro 第一次發現黑洞合併引力波事件的意義，好比於400 年前伽利略第一次把望遠鏡對準太空，找到了“日心說”的證據，將宇宙學研究帶入了全新時代；那麼這次改進之後的LIGO 與Vigro 將重新起航，這意味著使用引力波研究宇宙進入了常態化，並有望帶來重大科學發現的持續性大爆發。
什麼是激光干涉引力波探測儀？
根據廣義相對論的預測，當兩個質量大如黑洞的天體互相加速旋轉時，會產生如同水波漣漪一樣的時間與空間的變化——引力波。而當它們碰撞和融合時，則會產生一個較強的引力波。這個引力波會在宇宙中擴散，所到之處都會引起當地時空“比較明顯”的扭曲與畸變，從而被遠在地球的人類探測到。
圖 |黑洞融合時產生的引力波（圖片來源：NSF）
圖4|引力波會在宇宙中傳播。（圖片來源：NSF）
但這個所謂的“比較明顯”，依然十分微弱。質量、密度巨大如黑洞的天體，在以接近光速的速度加速運動時產生的引力波，在到達地球時所能引起的空間畸變，大約只有十萬億分之一。相當於直徑1000 億倍於地球直徑的物體，出現了不到一根頭髮絲粗細的形變。因此，在預測出引力波的存在之後，愛因斯坦本人對於能否真正造出引力波探測儀，並沒有過多少指望。
圖| 當引力波傳播到地球時，地球的時空也會出現畸變，但這個畸變非常小。只有LIGO這樣的裝置才能探測出來。（注：圖中所示的畸變效果經過了誇大，但趨勢是這麼個趨勢。）（圖片來源：NSF）
直到一個世紀後，愛因斯坦的後輩科學家們，造出了LIGO。
LIGO 系統是由兩個相距3000 公里（分別位於美國南海岸的Livingston 和美國西北海岸的Hanford）且完全相同的探測器組成。每個探測器包含兩個長度為4 公里、佈置成L 形的真空管。在L型的拐角處，科學家們會發射激光束，並讓其沿真空管方向傳播。每束激光到達真空管末端后，會被鏡面反射，並沿相反路線返回。在同等的條件下，兩束激光應該在完全相同的時間返回源頭，由於乾涉效應，到達下圖右下角的光電探測器的兩束激光會相互抵消，因此探測器是探測不到激光的。
圖 |正常情況下，由於乾涉效應，到達下圖右下角的光電探測器的兩束激光會相互抵消（圖片來源：MIT）
然而，如果有引力波穿過探測器，根據愛因斯坦100 年前的預測，會使兩個真空管中的空間出現極其微小的拉伸與壓縮。儘管這個形變很小，但在真空管4公里的尺度上，足夠讓兩束光線的傳播距離出現激光波長尺度上的差異，使得到達光電探測器上的光線有時不再能互相抵消，探測器就會探測到激光。這種“失衡”雖然十分短暫，但已足夠讓科學家們從中發現引力波的踪跡。
圖 |引力波引起空間畸變，導致光線“洩露”到了探測器上。（圖片來源：MIT）
這次LIGO與Vigro做了怎樣的升級？
但這只是LIGO 的工作原理。真正的設備要比這些動圖複雜、精密得多。
1984年，在美國國家科學基金會（NSF）的推動下，加州理工學院與麻省理工學院開始合作設計、建造激光干涉引力波天文台（LIGO）。
圖 |麻省理工學院的LIGO團隊。LIGO項目由麻省理工學院和加州理工學院共同承擔。（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
1994 年，LIGO 正式開工，並於1999 年完工。
2002 年，LIGO 正式進行第一次引力波探測，雖然到2010 年都未能探測到引力波，但是累積了很多寶貴的實際運作經驗。
2015年，靈敏度升級10 倍以上的新LIGO 剛剛上線，就探測到了引力波事件。
這一次，LIGO 與Vigro 在之前的基礎上又做了大量的升級。
圖 |硬件升級中的LIGO（圖片來源：LIGO Scientific Collabration）
比如：
- 激光能量：激光的能量增強了一倍，使得探測引力波的靈敏度大幅提高。
- 反射鏡升級：位於Livingston 和Hanford的兩處LIGO設施都對反射鏡進行了升級。一共8個反射鏡中，有5個都升級成了更加強大的新型反射鏡。新型反射鏡的安裝給工程師們製造了不小的難題。
- 噪音控制：光子的隨機波動會造成量子噪音，從而增加測量的不確定性。這次升級中，科學家們通過使用一種叫做“壓縮光（squeezing light）”的技術，可以把一部分對於測量精度至關重要的相位噪聲，“轉移”到對於測量來說不那麼重要的振幅上，從而提高測量的靈敏度。
圖9 壓縮光設備安裝（圖片來源：LIGO Scientific Collabration）
這些改進花費了工程師們數月的時間。如今，精度提高了40% 的LIGO 和提高了100% 的Vigro 已經整裝待發，他們的目標，是人類從未到達過的宇宙深處。這是真正的“星辰大海”。
可能的新發現會有哪些？
更新後的LIGO 與Vigro 會有什麼令人激動的新發現？
常言道，沒有量變，就沒有質變。
由第二輪引力波探測實驗（O2）開啟的宇宙探索的“多信使”時代，如今將正式成為宇宙學研究的新常態。如果說11 次引力波事件的偶然發現，讓我們打開了研究宇宙的新大門，那麼隨著升級後多得多的黑洞融合、中子星融合等引力波事件的持續發現，將注定讓我們可以進一步探索出宇宙的過去、現在與未來。
著名科技雜誌New Scientist 在其網站上總結出了5 個可能會出現的新發現：
- 黑洞如何配對？
到現在為止我們還不知道兩個黑洞為什麼會來到對方身邊，彼此共舞。是產生它們的恆星根本就是一對？還是成熟的黑洞以某種方式通過與其他物體的相互作用被推到一起？通過觀察它們的旋轉是否一致，我們將有可能得到答案。
圖 |配對的黑洞（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
中子星內部是怎樣的？
中子星的體積只有一座城市大小，但質量卻有一個恆星那麼大，是除了黑洞以外密度最大的星體。升級前的LIGO 與Vigro 曾經發現過一次中子星碰撞產生的引力波漣漪，升級後的它們將有可能通過更多次的發現告訴我們，中子星裡面到底藏著什麼秘密。
圖|中子星（圖片來源：NASA）
超新星內部又是什麼？
超新星爆炸是宇宙中最炫酷的“煙花”。這種爆炸極其明亮，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，可以持續幾個星期甚至幾個月之久。到目前為止，我們已經觀測到了不少超新星爆炸產生的電磁波——包括 1000 年前中國的一次觀測。升級後的LIGO 與Vigro 將有望探測到它們產生的引力波。這些引力波將有助於我們對超新星的內部進行觀測。
圖 |蟹狀星雲——宋朝人民見證過的超新星（圖片來源：NASA）
廣義相對論也會失效嗎？
2016 年，有科學家在對2015 年觀測到的引力波數據進行認真分析後表示，他們在黑洞邊緣發現了引力波的“迴聲”。如果他們是對的，就意味著黑洞周圍存在一圈高能粒子，稱為“火牆”。這與愛因斯坦的廣義相對論相矛盾，意味著LIGO 在證明了廣義相對論預測的引力波的同時，可能也順便證明了廣義相對論會在黑洞邊緣失效。是真是假， LIGO 和Vigro 的第三輪觀測可能會解決這個問題。
圖14 黑洞（圖片來源：NASA）
甚至於，黑洞本身是否真的存在？
黑洞之所以被叫做“黑”洞，就是因為我們看不見它。我們只能看到氣體、塵埃和恆星落入其中，現在也能探測出它發出的引力波，但這還不夠。至少有一部分我們認為是黑洞的天體，可能壓根就不是黑洞：這些天體有著特殊的結構，不會坍塌為一個黑洞，但同樣會扭曲時空。如果我們能夠找到頻率顯著不同的引力波，就有可能找到這個問題的答案。
（圖片來源：WIKICOMMONS）
以上的這五個問題，無一例外都是困擾天文學界的重大問題。
然而，這些問題的提出，都還是基於我們現在已有的對宇宙的認知。而在我們的認知之外，LIGO 和Vigro 將很有可能給我們很多未知的驚喜。
引力波探測一直以來都是是全人類的大事，早在2014年，中國就提出了“天琴計劃”。並且在今年的兩會上，全國人大代表、中山大學校長羅俊院士也透露，位於珠海的“天琴一號”地面觀測台站已經基本建成，目前正在進行設備安裝調試，即將運行。“天琴一號”技術驗證試驗衛星預計今年年底前發射。位引力波探測地面模擬裝置進入可研階段。
前兩天，清華大學宣布成立天文系的消息（清華大學也是LIGO計劃的參與方），也引爆了無數網友“重新高考”的衝動，而這次LIGO和Vigro的升級，則是紮紮實實的天文研究“利器”的大躍進。究竟這次的升級會給我們帶來什麼成果，我們暫時還不知道，但它已經讓科學界興奮異常，無比期待。
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參考：
作者/靖海
來源：DeepTech深科技（ID：deeptechchina）