重訪愛(ài)因斯坦：尋找縹緲的引力波

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

重訪愛(ài)因斯坦：尋找縹緲的引力波

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

何銳思（Richard de Grijs）

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

近日，“升級(jí)版L I GO”項(xiàng)目已經(jīng)就緒，準(zhǔn)備迎接它的首次科學(xué)觀測(cè)。LI GO意為激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（Laser Int erf eromet er Gravitational-W ave O bservatory），高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)（Advanced LIGO）是LIGO經(jīng)過(guò)大規(guī)模升級(jí)后的版本。LIGO包括位于美國(guó)路易斯安那州列文斯頓（Livingston）和華盛頓州漢福德（Hanf ord）的兩臺(tái)獨(dú)立的探測(cè)器，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)并運(yùn)作，旨在觀測(cè)時(shí)空連續(xù)體上的漣漪——引力波。盡管升級(jí)后的天文臺(tái)已于2015年5月19日正式竣工，不過(guò)為了使它能夠盡快真正投入工作，科學(xué)家們夜以繼日地奮戰(zhàn)直至今日。

“我們花了7年時(shí)間裝配這臺(tái)史上最靈敏的引力波探測(cè)器。到目前為止，設(shè)備的調(diào)試非常順利，我們十分期待201 5年下半年高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)的首次科學(xué)工作。那將是這一領(lǐng)域激動(dòng)人心的時(shí)刻?！盠IGO項(xiàng)目加州理工學(xué)院負(fù)責(zé)人大衛(wèi)?瑞茲（David Reitze）說(shuō)。

引力波是愛(ài)因斯坦在一百年前提出的廣義相對(duì)論所做出的預(yù)言，它產(chǎn)生于宇宙中諸如恒星爆炸或黑洞碰撞之類的劇烈事件。就像電荷的加速運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生電磁波（如天線中電子的振蕩運(yùn)動(dòng)），質(zhì)量的加速運(yùn)動(dòng)則會(huì)產(chǎn)生引力波。當(dāng)這些時(shí)空連續(xù)體上的漣漪傳播到地球上，它們不僅能給我們帶來(lái)源天體的信息，而且也透露出引力在極端條件下的性質(zhì)——這是其他探測(cè)手段所無(wú)法獲得的。

“50年來(lái)，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找引力波的努力從未停止，但是始終一無(wú)所獲。引力波實(shí)在罕見(jiàn)，而且它們的振蕩微弱至極。”瑞茲說(shuō)。

LIGO項(xiàng)目最初在20世紀(jì)90年代提出，在2002年投入觀測(cè)，但是并沒(méi)有探測(cè)到引力波。由于這只是第一次嘗試，所以科學(xué)家們并不氣餒，并決定對(duì)LIGO進(jìn)行大規(guī)模改造——靈敏度要提高十倍以上，使得可觀測(cè)的目標(biāo)數(shù)量增加超過(guò)一千倍。這樣，預(yù)計(jì)每年平均能夠出現(xiàn)40次可觀測(cè)的信號(hào)。

“為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們從初代LIGO那里吸取了很多教訓(xùn)，并且結(jié)合全世界的研究成果和技術(shù)發(fā)展，重新設(shè)計(jì)了探測(cè)器?！甭槭±砉W(xué)院高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)項(xiàng)目帶頭人大衛(wèi)?舒梅克（David Shoem aker）說(shuō)。

這次升級(jí)的內(nèi)容包括激光器（180瓦高穩(wěn)定性系統(tǒng)）、透鏡（40千克重、懸吊在石英纖維上作為“檢驗(yàn)質(zhì)量”的熔石英鏡面）、減震系統(tǒng)（使用慣性感應(yīng)和反饋技術(shù)）以及如何探測(cè)檢驗(yàn)質(zhì)量所做的微小移動(dòng)（小于1018分之一米）的方法。

“高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)的首次科學(xué)觀測(cè)所使用的干涉儀將能‘看’到初代LIGO目力所及三倍遠(yuǎn)處的事件?！贝笮l(wèi)?舒梅克補(bǔ)充說(shuō)，“因此我們能夠探測(cè)的空間范圍將比原來(lái)大得多?！?/p>

LIGO干涉儀的L型臂每條長(zhǎng)4千米，一束激光在其中一分為二，并且在抽成真空的管道中來(lái)回反射。利用這兩束激光形成的干涉圖像，可以監(jiān)測(cè)兩個(gè)固定的反射鏡之間的距離。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)地球時(shí)，這兩個(gè)鏡面之間的相對(duì)距離會(huì)有微小的改變。

LIGO原來(lái)的設(shè)備能夠探測(cè)到4千米臂長(zhǎng)上相當(dāng)于質(zhì)子直徑千分之一的微小變化，如同一根頭發(fā)絲的寬度之于地球到最近的恒星的距離（約4光年）。而在其基礎(chǔ)上改造的高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)威力還要強(qiáng)大得多。

LIG O觀測(cè)站呈L型布局。[圖片來(lái)源：Advanced LIGO]

兩個(gè)黑洞的合并。[圖片來(lái)源：NASA]

初代LIGO的觀測(cè)并沒(méi)有確認(rèn)引力波的存在，不過(guò)人們精確地測(cè)出了引力波對(duì)于一個(gè)雙脈沖星系統(tǒng)PSR B1913+6的影響，它與理論的預(yù)言完全吻合。這個(gè)系統(tǒng)包含兩顆繞公共質(zhì)心運(yùn)行的中子星（恒星死亡后留下的致密核心），由于引力波帶走了能量，兩顆子星的軌道正在緩慢地收縮。這種已經(jīng)進(jìn)入演化極晚期——即將或者正在經(jīng)歷最終不可避免的兩星碰撞——的雙星系統(tǒng)，是高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)觀測(cè)計(jì)劃中的核心目標(biāo)。基于諸如上述的觀測(cè)，科學(xué)家已經(jīng)堅(jiān)信引力波的存在；不過(guò)直接探測(cè)到引力波，將會(huì)確認(rèn)愛(ài)因斯坦為它勾勒的形象，并為我們觀測(cè)宇宙中的劇烈的災(zāi)難性事件打開(kāi)新的窗口。

“最終，高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)將能夠看到初代LIGO目力所及十倍遠(yuǎn)的地方。根據(jù)理論的預(yù)言，每年應(yīng)該能探測(cè)到很多中子星雙星合并的事件?！比鹌澱f(shuō)。

改造后的設(shè)備將能夠看到大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)生命的最后幾分鐘：兩個(gè)黑洞沿著螺旋形的軌道相互接近，最終融合成一個(gè)更大質(zhì)量的黑洞，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，如同兩個(gè)肥皂泡合二為一時(shí)那樣。高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)還將能夠探查到脈沖星以10赫茲到1000赫茲自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的周期性信號(hào)。另外，高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)還會(huì)用于尋找宇宙的引力波背景輻射，以檢驗(yàn)我們對(duì)于大爆炸后10-35秒宇宙如何演化的理論是否正確。

“我們預(yù)計(jì)將在五年之內(nèi)完成探測(cè)器的優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)的靈敏度。”瑞茲說(shuō)，“我們努力了很久，現(xiàn)在對(duì)引力波的監(jiān)測(cè)重新開(kāi)始，我們都很興奮?！?/p>

“原來(lái)的探測(cè)器能夠探測(cè)到最遠(yuǎn)約5000萬(wàn)光年的事件，”西澳大學(xué)教授大衛(wèi)?布萊爾（David Blair）說(shuō)，“但是即使在這個(gè)距離上，我們也只能期待每100年發(fā)生一次（引力波）事件。如果能把探測(cè)器的靈敏度提高10倍，那么就能看到宇宙中10倍遠(yuǎn)的地方，而可觀測(cè)的空間范圍將是原來(lái)的1000倍?！?/p>

研究者使用位于澳大利亞西部金金（Gi ngi n）的引力研究中心的設(shè)備小心地加熱高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)的鏡面，使其形狀產(chǎn)生微小的變化，以提高探測(cè)器的靈敏度，使得它能夠感受到來(lái)自2億光年遠(yuǎn)的引力波。

2005年，大衛(wèi)?布萊爾的團(tuán)隊(duì)預(yù)言了一種“參數(shù)不穩(wěn)定”的問(wèn)題：激光有時(shí)候會(huì)被鏡面的熱運(yùn)動(dòng)彈回，產(chǎn)生額外的振蕩。2014年11月高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)開(kāi)機(jī)時(shí)，人們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

“這有點(diǎn)像廣播里的尖嘯聲（麥克風(fēng)的位置放得不好時(shí)，會(huì)有忽然增強(qiáng)的尖嘯聲），因此我們研發(fā)了一整套設(shè)備來(lái)控制探測(cè)器中的這種不穩(wěn)定性，在未來(lái)的幾年里，我們還會(huì)繼續(xù)使用它們。”大衛(wèi)?布萊爾說(shuō)。

“原來(lái)的探測(cè)器能夠探測(cè)到最遠(yuǎn)約5000萬(wàn)光年的事件?！贝笮l(wèi)?布萊爾說(shuō)。[圖片來(lái)源：NASA Goddard Space Flight Center]

同在西澳大學(xué)、由溫琳清教授領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則研究出了一種實(shí)時(shí)揀選信號(hào)的方法。而在過(guò)去，這項(xiàng)工作需要花費(fèi)幾周乃至幾個(gè)月的時(shí)間。他們研發(fā)了一種電子“耳”軟件，將大大改進(jìn)目前的引力波搜尋工作。

該軟件能夠識(shí)別出不同的頻率變化模式，就像人的大腦從耳蝸毛細(xì)胞那里接收神經(jīng)信號(hào)并對(duì)其不同模式產(chǎn)生識(shí)別，以此辨別出我們聽(tīng)到的不同的聲音一樣。LIGO探測(cè)器工作的頻率范圍是從10赫茲到3000赫茲。我們關(guān)心的由引力波產(chǎn)生的振動(dòng)幅度只有1020分之一米的量級(jí)，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑的十萬(wàn)分之一。但是引力波信號(hào)有一種特征：它會(huì)像小鳥(niǎo)的啁啾聲那樣急劇地提高音調(diào)，利用這一點(diǎn)我們能夠很快識(shí)別出它們。如果位于美洲大陸兩端的兩個(gè)或者更多的探測(cè)器都探測(cè)到了同一個(gè)信號(hào)，那么這將被看作是引力波存在的證據(jù)。

這個(gè)電子“耳”的想法來(lái)自加州理工學(xué)院陳雁北教授的工作，不過(guò)將其付諸實(shí)踐的是溫琳清教授和三名博士生?！斑@一系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)顯卡上，我們得益于由于計(jì)算機(jī)游戲的需要而發(fā)展起來(lái)的高速顯卡處理器?！贝笮l(wèi)?布萊爾說(shuō)。

為了讓靈敏的儀器能夠發(fā)揮作用，它們需要抵御周遭從地震、強(qiáng)風(fēng)到科學(xué)家騎車經(jīng)過(guò)所帶來(lái)各種振動(dòng)噪聲。只有這些噪聲都被抵消掉，LIGO才有可能探測(cè)到那些由超新星爆發(fā)或者黑洞融合事件產(chǎn)生的引力波所帶來(lái)的、微弱得超出想象的振動(dòng)。這些引力波攜帶著它們的源天體以及有關(guān)引力本身性質(zhì)的關(guān)鍵信息。因此，對(duì)它們的探測(cè)將為天文學(xué)研究開(kāi)啟新的窗口。

加州理工學(xué)院、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和藝術(shù)中心設(shè)計(jì)學(xué)院聯(lián)合組織了名為“數(shù)據(jù)可視化暑期實(shí)習(xí)”的項(xiàng)目，他們讓參與的學(xué)生幫助確認(rèn)一個(gè)探測(cè)器上出現(xiàn)的尖峰信號(hào)是引力波還是其他普通的振動(dòng)。為此，他們研發(fā)了彩色可視化程序，以表征信號(hào)與已知事件的關(guān)聯(lián)，如下圖所示。

左邊的表盤表示每個(gè)事件被記錄的時(shí)間；右邊每條棒的長(zhǎng)度表示事件的強(qiáng)度，連接兩條棒的線表示兩個(gè)事件之間相關(guān)聯(lián)的程度。與LIGO已有的分析方法相結(jié)合，這種直接觀看“事件”的新方法能夠幫助研究者辨別并排除地球上噪聲信號(hào)的影響。這直接提高了LIGO探測(cè)器對(duì)天文事件的探測(cè)能力，使得人們對(duì)虛無(wú)縹緲的引力波的探測(cè)變得容易多了。

“當(dāng)高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)開(kāi)始工作時(shí)，全世界都將會(huì)注目，而且明年室女座激光干涉儀引力波探測(cè)器（Vi rgo，意大利和法國(guó)聯(lián)合建造）和今后其他探測(cè)器的加入會(huì)共同組成一個(gè)國(guó)際觀測(cè)網(wǎng)?！泵绹?guó)路易斯安那州立大學(xué)物理和天文學(xué)系加布里拉?岡薩雷斯（Gabri el a Gonz á l ez）教授說(shuō)，“LIGO聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已準(zhǔn)備好徹底、及時(shí)地分析引力波探測(cè)器的數(shù)據(jù)，以推進(jìn)我們對(duì)天體物理學(xué)的認(rèn)識(shí)。期待未來(lái)幾年能有重要的結(jié)果?！?/p>

高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)漢福德觀測(cè)站控制室的技術(shù)員正在為第一次全面運(yùn)行做準(zhǔn)備。[圖片來(lái)源：Caltech/ M I T/L I G O Laboratory]

高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)是迄今人類所做出的最為靈敏的測(cè)量?jī)x器。[圖片來(lái)源：Advanced LIGO]

用來(lái)篩查引力波信號(hào)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。[圖片來(lái)源：AE I/M. Fiorito]

“我在通過(guò)實(shí)驗(yàn)搜尋引力波方面工作了很多年，以我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，可以說(shuō)，這是對(duì)于直接探測(cè)引力波這一領(lǐng)域極為重要的時(shí)刻，”Vi rgo聯(lián)合發(fā)言人、羅馬第一大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授富爾威爾?里奇（Fulvio Ricci）說(shuō)?！案咝录す飧缮鎯x引力波天文臺(tái)投入運(yùn)行，是建立由先進(jìn)的探測(cè)器組成的國(guó)際觀測(cè)網(wǎng)的最重要一步。Virgo和LIGO過(guò)去曾收集數(shù)據(jù)并做出過(guò)一些有意思的成果。而現(xiàn)在，做出新發(fā)現(xiàn)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，我們將為基礎(chǔ)物理學(xué)和天文學(xué)教科書(shū)寫下新的一章。”

“能夠成為建造迄今最為靈敏的探測(cè)器的國(guó)際合作項(xiàng)目中的一員，我感到非常振奮?，F(xiàn)在，我們正在‘監(jiān)聽(tīng)’宇宙中最微弱的信號(hào)，它們卻是由最猛烈的事件所產(chǎn)生的?！卑拇罄麃唶?guó)立大學(xué)量子科學(xué)系教授大衛(wèi)?麥克里蘭（Davi d M cClelland）說(shuō)?！翱粗鳯IGO一步步成長(zhǎng)真是讓人激動(dòng)，每過(guò)一年，你都會(huì)發(fā)現(xiàn)新知識(shí)和新技術(shù)變得更有意義?！卑拇罄麃喲芯课瘑T會(huì)首席執(zhí)行官艾丹?拜恩（Aidan Byrne）補(bǔ)充道。

事實(shí)上，這對(duì)天文學(xué)和基礎(chǔ)物理來(lái)說(shuō)都是激動(dòng)人心的時(shí)刻。我們正站在一扇大門前，門后面是為電磁光譜所遺漏的一片廣大的區(qū)域，在那里我們能夠?qū)σΜF(xiàn)象的基本原理做出根本性的檢驗(yàn)。