重力波就像是宇宙中的聲波，例如，當黑洞或中子星相撞時就會產生重力波。未來的重力波探測器–愛因斯坦望遠鏡，將使用最新的雷射技術來更好地了解這些波，進而了解我們的宇宙。建造這台望遠鏡的一個可能地點是德國、比利時和荷蘭的邊境三角地帶。愛因斯坦望遠鏡將於2035年開始觀測，它將擴大我們探測重力波的能力，讓我們對宇宙中最引人注目的事件有新的認識，包括形成金等元素的中子星碰撞。雖然這只是一個計劃，但一台新望遠鏡很快就能測量重力波了。

愛因斯坦望遠鏡建於地下約250 公尺處。它將利用三條隧道（每條隧道長十公里）中的干涉儀測量早期宇宙中黑洞的碰撞。資料來源：NIKHEF

宇宙如何製造黃金？

2017年夏天，對天文學家來說是極為令人興奮的一天：8月17日，三個重力波探測器記錄了一個新訊號。全球數百台望遠鏡立即對準了疑似原點，果然在那裡看到了一個發光的天體。這是第一次以光學和重力波兩種方式偵測到兩顆中子星的碰撞。

中子星是宇宙中非常特別的東西：它們是燃燒殆盡的恆星，不再發出任何可見輻射。它們的重量略大於太陽，但質量卻擠壓在直徑不到20 公里的球體中。它們碰撞的力量如此巨大，以至於原子核被撕裂，巨大的質量噴射而出，形成了金等重原子。

亞琛工業大學的天體物理學家阿希姆-施塔爾（Achim Stahl）教授苦笑著解釋說：”與中子星的質量相比，被創造出來的黃金並不多，只有幾個月球質量。但研究人員非常肯定，宇宙中的大部分黃金都是在這種巨大的爆炸中產生的。

目前，弗勞恩霍夫雷射技術研究所（Fraunhofer ILT）正在開發高穩定性摻钬光纖放大器的原型。這種新型雷射技術還可用於其他應用領域，例如量子技術或醫療技術。來源：弗勞恩霍夫ILT，德國亞琛

重力波探測器開啟天文學新篇章

借助重力波探測器，我們已經對中子星的碰撞有了更多的了解。按照銀河系的標準，這些碰撞過程非常迅速。過去，如果我們非常幸運，我們可以記錄到持續時間不到一秒的伽馬射線暴。當黑洞碰撞時，目前的重力波探測器能夠測量到的訊號非常短。 2015 年測量到的第一個重力波訊號僅有0.2 秒多長。當超重物體在宇宙中相互繞行，然後發生碰撞時，就會產生這種波。

2017 年夏天探測到的訊號長達100 秒，因此立即可以看出這一定是新的東西。重力訊號停止後不久，記錄到了伽馬射線暴；隨後，在不同波長範圍內觀測到了爆炸的餘輝，並探測到了金和鉑等重元素的痕跡。該事件被確定為兩顆中子星的碰撞。同時觀測到重力波和電磁訊號，開啟了觀測天文學的新篇章。天文物理學家斯塔爾解釋說：”事實上，光學訊號對在天空中找到這顆恆星起了決定性作用。”

愛因斯坦望遠鏡摻铥光纖放大器的實驗室設置。來源：弗勞恩霍夫ILT，德國亞琛

我們與宇宙的”耳朵”

幾個世紀以來，天文學僅限於觀測可見輻射。隨著對電磁波譜有了更好的了解，天文學家增加了許多新的觀測方法，探測到了無線電波，並透過計算和模擬大大擴展了人類的知識。

一百多年前，當愛因斯坦提出廣義相對論時，他也提出了一個想法：可能存在與電磁波譜無關的波。與聲波類似，它們應該會讓遠處的測試樣本”晃動”一下。大的加速質量應該會在太空中發出這樣的波。然而，在地球上，重力波引起的擺動非常微弱，其運動比原子直徑小得多。儘管如此，現在測量重力波已經成為可能。這對天文學家來說是一個新時代。

所謂的雷射干涉儀就能做到這一點。它們由兩端帶有反射鏡的兩臂組成。雷射光束進入乾涉儀，在中間的分光鏡處被分光鏡。雷射光束到達兩臂的末端反射鏡，然後返回分光鏡。如果臂端反射鏡的位置發生變化，相壓力光束的傳輸時間就會發生微小的變化。受影響的反射鏡所發出的雷射光束與反射鏡未移動的另一干涉儀臂發出的雷射光束進行比較，就能測出兩者的時間差。

目前重力波探測器的這種測量精度總是令人吃驚，即使是物理學家也不例外，斯塔爾教授解釋說：”我們的測量精度不到質子直徑的千分之二。質子是原子核的組成部分。

早在20 世紀60 年代，人們就開始嘗試測量重力波。然而，只有目前的第二代雷射測量設備才能達到這種極高的精度，目前已經探測到大約100 次黑洞或中子星的碰撞。

愛因斯坦望遠鏡

施塔爾教授是德國愛因斯坦望遠鏡團體的成員，目前正在研究下一代重力波探測器。第三代測量設備的靈敏度比目前使用的設備高出十倍。計畫中的重力波觀測站以廣義相對論創始人的名字命名為”愛因斯坦望遠鏡”。 “我們希望用它來觀測宇宙中比目前可能觀測到的引力波大一千倍的區域。”天體物理學家解釋說：”這樣，我們就能發現更多目前的儀器還不夠靈敏的引力波源。

愛因斯坦望遠鏡將由三個嵌套探測器組成。每個偵測器將有兩個雷射干涉儀，臂長10 公里。為了盡可能遮蔽幹擾，天文台將建在地下250 公尺處。

不過，科學家們已經考慮得更遠了：”愛因斯坦望遠鏡將與從射電到伽馬射線的電磁波譜中的新一代創新天文台一起工作。我們稱之為多信使天文學，”Stahl 教授描述道。 “除了探測重力波的’耳朵’，我們還將有探測非常不同訊號的’眼睛’。這些訊號將共同提供前所未見的宇宙事件的即時傳輸”。

今後，重力波探測器將持續運行，並在訊號出現時及時”傾聽”。如果有幾個這樣的探測器捕捉到訊號，就可以計算出它的起源區域，並將其他光學望遠鏡與之對準。與2017 年夏天的中子星碰撞一樣，屆時就可以進行多次系統測量。科學家希望從中獲得許多新的見解，例如關於早期宇宙或關於所有比鐵重的元素在碰撞中形成的見解。

歐洲和世界各地的探測器

這種複雜的測量需要全球合作。因此，美國也在開發第三代探測器的概念設計：”宇宙探測器”將與愛因斯坦望遠鏡組成全球探測器網路。 2021 年，歐洲人將愛因斯坦望遠鏡列入了歐洲研究基礎設施戰略論壇（ESFRI）的路線圖。歐洲研究基礎設施戰略論壇成立於2002 年，目的是使各國政府、科學界和歐盟委員會能夠共同製定和支持歐洲研究基礎設施的概念。

隨著愛因斯坦望遠鏡被納入ESFRI 路線圖，它已進入籌備階段。預算估計為18 億歐元。預計每年的營運費用約為4000 萬歐元。計劃於2026 年開始建造，2035 年開始觀測。

目前正在進行選址研究。預計在2024 年做出決定。目前正在調查兩個可能的地點：一個在撒丁島，另一個在德國、比利時和荷蘭三國交界處的Euregio Meuse-Rhine 地區。在評估選址時，研究夥伴不僅要考慮建造的可行性，還要預測當地環境對偵測器靈敏度和運作的影響程度。

該項目將為相關地區帶來許多好處：18 億美元中的很大一部分將用於施工措施。舉兩個例子，就需要三倍於十公里的隧道和十二倍於十公里的真空管道。許多公司已經參與了該專案。

一個龐大的團隊已經在不同的地點投入實際測量設備的工作。除亞琛工業大學外，還包括位於亞琛的弗勞恩霍夫雷射技術研究所（ILT）。該研究所目前正在開發新的雷射器，如果沒有這些雷射器，就不可能進行新的測量。

來自弗勞恩霍夫激光技術研究所的專案經理帕特里克-貝爾（Patrick Baer）證實說：”我們在這裡開發的可能用於愛因斯坦望遠鏡的激光器設計獨特，專門用於測量引力波。”作為愛因斯坦望遠鏡研究小組的負責人，他代表著弗勞恩霍夫雷射技術研究所（ILT）和生產技術研究所（IPT）以及亞琛工業大學雷射技術系和光學系統技術系的研究小組。 “不過，在簡化版中，為此應用領域開發的雷射技術也可用於其他應用領域，例如量子技術。但所獲得的知識也有助於醫療技術領域的雷射開發：例如，波長為2 µm 的雷射適用於粉碎腎結石和膀胱結石”。歸根結底，這就是弗勞恩霍夫國際雷射技術研究所自成立以來一直在做的事情：使高端研究雷射適合工業應用。

目前資金尚未完全到位。斯塔爾教授希望在未來兩年內做出最終決定。首先，規劃人員將開始工作，然後是隧道建造者，最後是雷射物理學家。 “我估計，我們將能夠在2035 年進行首次測量。”

是什麼讓阿希姆-施塔爾這樣的研究人員如此著迷？這位天文物理學家解釋：『有了重力波，我們就能比普通望遠鏡更深入地觀察宇宙。在天文物理學中，深入宇宙首先意味著回溯時間。利用愛因斯坦望遠鏡，我們將接收到星系和第一批恆星形成時的訊號。器將更早地”聽到”這些信號，讓其他望遠鏡有更多的時間進行調整。令人興奮的時刻正在到來–而且不僅僅是對天體物理學家而言。

這項工作部分得到了歐洲區域發展基金（EFRE）Interreg EMR 的支持，部分得到了北萊茵-威斯特法倫州經濟事務、創新、數位化和能源部的支持。

編譯來源：ScitechDaily