五種捕捉引力波的新方法

蓬勃發(fā)展中的天文觀測實驗和技術正幫助我們發(fā)現難以檢測的時空漣漪。

2015年9月，一次僅持續(xù)了五分之一秒的振動改變了物理學的歷史。這是人類第一次直接探測到引力波——以光速穿越宇宙的一種時空擾動。

天文學家說，這就像獲得了一種新的感官——在2015年之前，他們只能“看到”宇宙事件，而現在可以“聽到”它們了。從那時起，在路易斯安那州和華盛頓州的激光干涉引力波天文臺（LIGO）的兩個大型設施，以及它們在意大利比薩附近的兄弟，室女座干涉儀（Virgo），開始了記錄引力波的常態(tài)化工作。

引力波的探測為探索自然規(guī)律和宇宙歷史提供了新的途徑，同時也能為探索有關黑洞及其起源的大恒星的生命歷程提供線索。瑞士日內瓦大學的理論物理學家奇亞拉 · 卡普里尼（Chiara Caprini）說，對許多物理學家而言，引力波科學的誕生是過去十年中罕見的科研亮點。其他有前景的探索領域一直令人失望：暗物質搜索一無所獲；日內瓦附近的大型強子對撞機除了希格斯玻色子之外沒有發(fā)現任何東西；甚至一些新的物理學跡象似乎也在消失?？ㄆ绽锬嵴f：“在這片平淡無奇的領域上，引力波的到來是一股新鮮的空氣。”

迄今為止發(fā)現的100多個引力波事件都只是物理學家們認為引力波存在的很小的樣本。LIGO和Virgo探測的窗口相當狹窄，主要局限在100～1000赫茲的頻率范圍內。當一對大質量恒星或黑洞慢慢地相互旋轉時，經過數百萬年的時間，它們會產生頻率緩慢增加的引力波，直到在物體碰撞前的最后時刻，引力波才會達到這個可探測的范圍。但是，這只是許多可能產生引力波的現象之一。

LIGO和Virgo是激光干涉儀，它們的工作原理是檢測沿幾公里長的垂直臂發(fā)射的激光在傳播時間上的微小差異。當引力波經過時，臂會輕微地膨脹和收縮。研究人員目前正在地球和太空建造下一代LIGO型天文臺，其中包括激光干涉空間天線，一些人甚至提議在月球上也建造一座。有些設備可能可以對頻率低至1赫茲的引力波敏感。

但是物理學家也在探索完全不同的技術來探測引力波。這些策略，從觀察脈沖星到測量量子漲落，旨在捕捉頻率范圍從兆赫茲到納赫茲更廣泛種類的引力波。

通過拓寬觀測窗口，天文學家應該能夠觀察到黑洞彼此繞轉數天、數周甚至數年，而不是僅僅觀測碰撞前的最后幾秒鐘。他們能夠發(fā)現由完全不同的宇宙現象產生的波動，包括巨型黑洞，甚至宇宙起源本身。他們說，所有這些將揭開宇宙中許多亟待探索的秘密。

脈沖星定時陣列：捕捉持續(xù)十年的波動

2023年，一種可行的干涉儀替代方案進入了探測領域。

自21世紀初以來，射電天文學家一直試圖利用整個銀河系作為引力波探測器。方法是監(jiān)測幾十顆被稱為脈沖星的中子星。它們以每秒數百次的速度繞軸轉動，同時發(fā)射無線電，看起來就像一個光脈沖。

掃過銀河系的引力波會改變地球和每顆脈沖星之間的距離，造成每年檢測到的脈沖星頻率的異常。對脈沖星陣列——稱為脈沖星定時陣列（PTA）——的觀測應該能夠探測到引力波引起的頻率僅為納赫茲的變化，例如由超大質量黑洞對產生的波動。這種波的連續(xù)波峰需要幾十年的時間才能通過一個特定的有利位置，這意味著需要幾十年的觀測才能發(fā)現它們。

2023年，PTA技術初見成效。位于美國康涅狄格州紐黑文的耶魯大學的天體物理學家基婭拉 · 明加萊利（Chiara Mingarelli）說，來自北美、歐洲、澳大利亞和中國的四支獨立合作團隊揭示了一種從隨機的“隨機背景”引力波中預期的模式，這種波動可能是由超大質量黑洞雙星的雜音引起的。

研究小組沒有使用“發(fā)現”這個詞，因為相關證據還不夠確鑿。但其中三個小組正在收集他們的數據并進行聯合分析，希望能夠得到結果。位于弗吉尼亞州夏洛茨維爾的美國國家射電天文觀測站的天體物理學家、北美合作組織的高級成員斯科特 · 蘭瑟姆（Scott Ransom）說，這會是非常細致的工作，因為每個小組處理原始數據的方式略有不同，因此可能至少需要一年的時間才能發(fā)表成果。

“在目前的數據中，我們幾乎可以肯定有超大質量黑洞雙星存在的跡象?！?蘭瑟姆說。他補充道，每多觀察一年，他們就更有可能從雜音中分辨出黑洞對?！耙磺袝蛟絹碓胶玫姆较虬l(fā)展?！?/p>

微波望遠鏡：探測來自宇宙大爆炸的波動

在2015年LIGO探測的前一年，一個使用宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）南極望遠鏡的宇宙學小組聲稱發(fā)現了引力波——不是直接探測得到，而是通過宇宙微波背景（CMB）發(fā)現的，即宇宙大爆炸的余暉。

BICEP2給出的結果被證明是不成熟的，但宇宙學家正在為此付出加倍的努力。在智利北部阿塔卡馬沙漠的山頂上，名為西蒙斯天文臺的望遠鏡陣列正在建設中，它比BICEP2強大得多。一些研究人員對另一種更強大的陣列抱有希望，它被稱為CMB-S4，是最初計劃在智利和南極投入使用的12臺望遠鏡，然而在2024年5月份，由于美國南極基地年久失修，該項目計劃被擱置。

宇宙學家在CMB中尋找的是其偏振場漩渦的一種特殊的“B模式”（即微波扭曲的優(yōu)先方向），這種模式會在引力波通過時留下印記。理論上，這種波應該是由暴脹產生的，即宇宙大爆炸發(fā)生后指數級膨脹的快速爆發(fā)。暴脹可以解釋宇宙許多最顯著的特性，比如它的平坦度以及質量的分布特點。暴脹產生的引力波本應以高頻開始，但現在卻以約10～14 赫茲的極低頻率開始。

盡管暴脹理論是公認的宇宙學理論的基石，但現在我們還沒有證據可以證明它。B模式將會是直接的證據，而且它也將揭示所涉及的能量尺度，這是理解暴脹生成機制的第一步。

問題是，沒有人知道這個能量尺度是否足夠大，從而能留下明顯的痕跡?！氨┟涱A測了B模式，但我們不知道它是否足夠大到可以被探測到?！瘪R里蘭州巴爾的摩市約翰霍普金斯大學的理論天體物理學家馬克 · 卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）說。但如果主流模型是正確的，西蒙斯天文臺或CMB-S4應該最終找到它。

原子干涉儀：填補空白

盡管眾多項目將引力波科學推向了較低的頻率，但它們仍在1赫茲以下的頻率中留下了一個關鍵的空白。

探測這類頻率可以揭示比LIGO探測結果規(guī)模更大的黑洞合并現象（LIGO探測到的波來自質量最多為幾十倍太陽質量的恒星塌縮）?？ㄆ绽锬嵴f：“這是一個未經探索的區(qū)域，可能探測到很多黑洞?！?/p>

倫敦帝國理工學院的物理學家奧利弗 · 布希米勒（Oliver Buchmüller）認為，一種新興的技術可能會起到關鍵作用。他說：“原子干涉儀填補了我們目前無法用其他技術探索的空白。”原子干涉儀是一種垂直的高真空管，原子在其中被釋放并在重力作用下下落。在此過程中，物理學家用激光照射原子，使其在激發(fā)態(tài)和松弛態(tài)之間切換——這與原子鐘使用的原理相同。“我們正在嘗試將這種原子鐘技術投入更大范圍的應用。”加州斯坦福大學的物理學家杰森 · 霍根（Jason Hogan）說。

霍根說，為了探測引力波，物理學家計劃將兩組或多組原子放置在同一垂直管道內的不同高度，并測量激光脈沖從一組原子傳輸到下一組原子所需的時間。引力波的通過會導致光在它們之間傳播的時間稍微少一點或稍微多一點——這種變化小于一萬億億分之一。

斯坦福大學已經通過開拓性實驗研究出10米落差原子干涉儀，但探測引力波需要至少1千米高的裝置，這些裝置可以安裝在礦井中甚至太空中。作為第一步，世界各地的幾個團隊計劃建設100米的原子干涉儀作為測試平臺。其中一個被稱為MAGIS-100的設施已經在伊利諾伊州芝加哥郊外的費米國家加速器實驗室的現有豎井中建設開工，計劃于2027年完工。

桌面探測器：提高頻率

其他研究人員正在探索用更?。ㄒ哺阋耍┑奶綔y器探測引力波的方法，其中一些甚至可以放在桌面上。它們被設計用來觀測極高頻率的引力波。已知的現象應該不會產生這樣的波，但一些推測性的理論確實預測了此類波的存在。

位于伊利諾伊州埃文斯頓的西北大學的懸浮傳感器探測器（LSD）看起來就像一個玩具LIGO：它在相距僅1米的鏡子之間反射激光。LSD是一種新型儀器的原型，這種儀器的設計目的是利用共振來感知引力波：就像是蕩秋千，如果時間恰到好處，即使是很小的推力也能讓孩子在秋千上越蕩越高。

在LSD的每一個臂內的真空中，激光光束上懸浮著一個直徑只有微米寬的粒子。與干涉儀一樣，引力波的通過會交替地拉長和壓縮每個臂的長度。如果引力波的頻率與裝置的頻率共振，激光將給粒子許多微小的沖擊。領導該項目的西北大學物理學家安德魯 · 格拉西（Andrew Geraci）說，LSD可以精確地跟蹤粒子的運動。

LSD被設計為對頻率約為100 千赫茲的引力波敏感。假設存在這樣的波，并且如果研究小組能夠控制實驗噪聲，那么這個源頭可能已經有機會被探測到。格拉西說：“如果樂觀的話，即使使用1米的儀器，我們也能測量出該波段的真實信號?！彼a充說，其未來的版本可以擴展到100米長的臂，這將提高目前的靈敏度。

英國南安普敦大學的理論物理學家伊維特 · 富恩特斯（Ivette Fuentes）提出了制造更小的共振探測器的想法。她的目標是利用一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）的奇特物質狀態(tài)中的聲波——一種保持在比絕對零度高幾百萬分之一攝氏度的原子云。如果引力波以與聲波共振的頻率通過，它就能被探測到。因為尋找這個信號的行為會破壞BEC，所以每秒都需要釋放新的原子流。富恩特斯說，這一過程可能需要重復數月才能成功檢測。

原則上，基于BEC的探測器可以將對引力波的搜索擴展到1 兆赫茲或更高頻率——同樣，前提是它們存在。富恩特斯說，她的方案需要將BEC技術稍微推向當前的技術前沿?！拔艺J為這個想法是非常大膽的。”她說。物理學家假設，高頻引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右發(fā)生的奇異物理現象?？ㄆ绽锬嵴f：“我們可以用它來研究高能宇宙的狀態(tài)?！?/p>

量子晶體：只需一秒

最后一個更激進的探測引力波的方案是將物體同時放在兩個地方。

倫敦大學學院的物理學家蘇加托 · 玻色（Sougato Bose）提出了一種裝置設計方案，將微米級的鉆石晶體置于兩個量子態(tài)的疊加中。在他的設計中，晶體的兩個“形態(tài)”將被推開1米，然后重新組合在一起——這是一個極其精細的過程，可以比作童謠中的角色蛋形矮胖子（Humpty Dumpty）摔碎后的重新組合。引力波的通過會使一個形態(tài)在分開時比另一個形態(tài)走得更遠，當它們重新結合時會產生可測量的不同。整個過程大約需要1秒的時間來完成，這將使裝置對1赫茲左右的引力波敏感。

這個想法可以說雄心勃勃：迄今為止，這種量子技術已經被證明只對分子大小的物體有效，而且還沒有人測試過量子的奇異性能否能被推到如此極端的程度。玻色說：“將矮胖子重新組合在一起這樣的事在晶體中從未發(fā)生過?！?/p>

但是如果這項技術可以完善的話，那么像這樣的桌面實驗就可以使引力波探測脫離一些大型實驗室的控制。這些技術結合在一起，可以大大拓展可觀測的范圍?！扒熬胺浅酚^?！笨ㄆ绽锬嵴f。

資料來源Nature本文作者達維德 · 卡斯泰爾韋基（Davide Castelvecchi）是《自然》（Nature）雜志的資深作者。