全球最大引力波天文臺(tái)蓄勢(shì)待發(fā) 開啟天文研究新紀(jì)元
來源：科學(xué)報(bào)作者：2014年07月22日 13:13
[導(dǎo)讀] 圍繞著引力波的探測(cè)，研究者之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，因?yàn)橹苯犹綔y(cè)到引力波將開啟天文學(xué)研究領(lǐng)域的新紀(jì)元。但無論怎樣,隨著時(shí)間的推移,引力波探測(cè)正在不斷取得進(jìn)展, LIGO的科學(xué)家對(duì)通過觀測(cè)中子星探測(cè)引力波一事越來越樂觀。
全球最大引力波天文臺(tái)蓄勢(shì)待發(fā) 物理學(xué)：“波”的未來
圍繞著引力波的探測(cè)，研究者之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，因?yàn)橹苯犹綔y(cè)到引力波將開啟天文學(xué)研究領(lǐng)域的新紀(jì)元。
利文斯頓市的LIGO引力波探測(cè)器
圖片來源：Michael Fyffe
在美國(guó)巴吞魯日市東邊的路易斯安那沼澤中，每日例行的搜尋引力波的研究直到下午才能正式開始。在早晨就開展研究是注定要失敗的，因?yàn)楦浇涑庵蓦H公路嘈雜的車流、火車的呼嘯聲和伐木工人手中時(shí)斷時(shí)續(xù)的鋸木機(jī)伐木聲。
路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家Ryan de Rosa很清楚有一個(gè)漫漫長(zhǎng)夜在等著他。Rosa與其他6名科學(xué)家和工程師正在努力完成對(duì)探測(cè)器的升級(jí)工作，以便完全掌控位于研究設(shè)施中心位置的紅外激光光束。通過精確控制光束的投射方向以及準(zhǔn)確測(cè)量光束穿過的距離，激光干涉引力波天文臺(tái) （LIGO）小組希望觀測(cè)到引力波產(chǎn)生的與眾不同的振幅。愛因斯坦曾于近100年前預(yù)測(cè)，時(shí)空中存在引力波，但是引力波產(chǎn)生的振幅非常輕微，到目前為止還沒有研究者能直接探測(cè)到它。
另一組來自漢福德核設(shè)施的研究小組將于近日抵達(dá)LIGO的駐地。該小組使用與LIGO同樣的研究設(shè)備，如果兩個(gè)研究小組能夠強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，聯(lián)通后的設(shè)備將價(jià)值6.2億美元，能夠在明年開始收集資料。升級(jí)后的設(shè)備將是世界上對(duì)引力波最敏感的探測(cè)器，很有可能幫助LIGO成為第一個(gè)直接探測(cè)到引力波的研究小組。
圍繞著引力波的探測(cè)，研究者之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，因?yàn)橹苯犹綔y(cè)到引力波將開啟天文學(xué)研究領(lǐng)域的新紀(jì)元。天文學(xué)家稱，找出引力波的來源將給予他們新的研究方法，以探究黑洞碰撞、恒星湮滅及時(shí)空振動(dòng)的秘密。引力波是打開動(dòng)態(tài)宇宙研究的一扇窗。
無處不在卻無影無形
理論上說，地球充斥著引力波，這些引力波可以來自任何打破宇宙時(shí)空穩(wěn)定的事件，就如同地震時(shí)產(chǎn)生的地震波一樣。一顆正在走向滅亡的恒星會(huì)不斷發(fā)生爆炸成為超新星，在爆炸過程中會(huì)釋放出大量引力波。并不非常均勻的高密度物體釋放出的引力波則相對(duì)更加富有節(jié)奏，例如自旋速度極快的中子星。其他能夠產(chǎn)生引力波的來源可能還包括黑洞和相互環(huán)繞的中子星，它們會(huì)在運(yùn)動(dòng)過程中不斷地彼此接近，最終爆發(fā)毀滅性的碰撞。
1992年，在經(jīng)過數(shù)十年的規(guī)劃、修改及原型設(shè)計(jì)后，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）決定撥款2.72億美元（2008年的美元購買力為4.2億美元）建造專門用于引力波探測(cè)的干涉儀，并將之命名為L(zhǎng)IGO。該計(jì)劃需要兩臺(tái)一模一樣的探測(cè)器，相互間隔數(shù)千公里，以便形成交叉探測(cè)陣型，增加準(zhǔn)確率。其中一臺(tái)布置在華盛頓，另一臺(tái)就布置在路易斯安那州利文斯頓市。
LIGO的問題在于，它究竟能夠?qū)σΣㄓ^測(cè)到什么程度。物理學(xué)家Rainer Weiss說：“當(dāng)我們初次提出LIGO計(jì)劃時(shí)，唯一的觀測(cè)源就是超新星。我們認(rèn)為可以通過觀測(cè)超新星從而每年探測(cè)到1次，甚至10次引力波。”但是，升級(jí)后的電腦模擬給出了更加精確的答案，研究者每年有可能觀測(cè)到的引力波能量波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先的預(yù)期。即使有一顆超新星距離地球極近，但研究者仍然可能什么也探測(cè)不到。
另一個(gè)擔(dān)憂則指向中子星，研究者擔(dān)憂LIGO難以從狀態(tài)極不穩(wěn)定的中子星上直接觀測(cè)到引力波。馬里蘭大學(xué)理論天體物理學(xué)家Cole Miller曾于去年主持LIGO的外部科學(xué)顧問小組，他說：“研究者曾經(jīng)對(duì)一些引力波來源的探測(cè)感到樂觀，但實(shí)際情況卻不是那樣。”
但無論怎樣，隨著時(shí)間的推移，引力波探測(cè)正在不斷取得進(jìn)展，LIGO的科學(xué)家對(duì)通過觀測(cè)中子星探測(cè)引力波一事越來越樂觀。他們認(rèn)識(shí)到，當(dāng)這些恒星相互碰撞時(shí)，它們會(huì)釋放出純凈的、易于被探測(cè)到的引力波信號(hào)，而LIGO對(duì)信號(hào)的敏感強(qiáng)度足以保證不會(huì)讓這些信號(hào)從眼皮底下溜走。因?yàn)?，即便在LIGO設(shè)備還未升級(jí)時(shí)，一樣能夠探測(cè)到距離地球20百萬秒差距（6500萬光年）的兩顆中子星相互碰撞的信號(hào)。
經(jīng)過本次升級(jí)后，LIGO對(duì)引力波信號(hào)的敏感強(qiáng)度將穩(wěn)步上升，最終將提高10倍。因此，升級(jí)后的LIGO的觀測(cè)距離將不再局限在20百萬秒差距，而是提升到150百萬秒差距甚至200百萬秒差距。這使得LIGO能夠觀測(cè)的宇宙范圍增加了1000倍，并極大提升了直接探測(cè)到引力波的幾率。
“吵鬧的鄰居”
噪音問題在利文斯頓市尤其突出，此外，探測(cè)器數(shù)公里外就是車來車往的州際公路和鐵路線。調(diào)查顯示，早在1988年研究者就警告過噪音對(duì)研究的負(fù)面影響，但問題其實(shí)并沒有報(bào)告中顯示的那般不可調(diào)和。路易斯安那州參議員、來自民主黨的Bennett Johnson正在力促NSF為L(zhǎng)IGO撥款，幫助項(xiàng)目平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)于引力波探測(cè)，利文斯頓市實(shí)際上有諸多優(yōu)勢(shì)：地震很少，有大量平原地形。此外，附近的路易斯安那州立大學(xué)已經(jīng)成立了一個(gè)由引力物理學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，LIGO隨時(shí)可以獲得學(xué)者的支持。LIGO項(xiàng)目的規(guī)劃者認(rèn)為，以上這些優(yōu)點(diǎn)足以彌補(bǔ)噪音帶來的缺點(diǎn)。
對(duì)于噪音問題，特別需要指出的就是伐木作業(yè)。利文斯頓實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員Brian O’Reilly認(rèn)為，伐木作業(yè)對(duì)于LIGO項(xiàng)目來說是一種長(zhǎng)期毒藥。他時(shí)常會(huì)走到窗邊，向著外圍被伐木工人“清空”的場(chǎng)地憤怒地?fù)]舞著手臂。O’Reilly說：“我們不能對(duì)伐木公司說必須停止作業(yè)，以保證我們可以順利地探測(cè)引力波?！辈贿^，伐木作業(yè)并不會(huì)天天進(jìn)行，且經(jīng)過長(zhǎng)期相處之后，LIGO的工程師已經(jīng)學(xué)會(huì)調(diào)整儀器的頻率以規(guī)避噪音帶來的影響。
升級(jí)后的LIGO將配備強(qiáng)力紅外線激光，外加一套回收系統(tǒng)，提升探測(cè)器對(duì)光子的敏感性，并促使探測(cè)器更加高效地探測(cè)引力波。因?yàn)閷?duì)于探測(cè)器來說，能夠探測(cè)到的光子數(shù)量不是越多越好——光子數(shù)量越多，白噪音效應(yīng)就越大，過高的噪音會(huì)毀掉探測(cè)到的信號(hào)。
LIGO實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任David Reitze透露，如果LIGO項(xiàng)目一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好，升級(jí)后的LIGO第一期項(xiàng)目將于2015年末正式開展。第二期項(xiàng)目將在2016年至2017年開展，屆時(shí)很有可能取得突破性進(jìn)展——首次直接探測(cè)到引力波。Weiss特別指出，2016年是愛因斯坦在論文中提出引力波概念100周年，如果在2016年探測(cè)到引力波將是一份最好的紀(jì)念禮物。第三期項(xiàng)目將于2017年至2018年開展，屆時(shí)將十分準(zhǔn)確地鎖定引力波信號(hào)。
全球競(jìng)爭(zhēng)
在利文斯頓市周圍還有其他幾個(gè)研究小組也在嘗試探尋引力波，并且都有實(shí)力搶在LIGO之前發(fā)現(xiàn)引力波。引力波與光一樣，混雜在多種頻率的波長(zhǎng)之中，在射電望遠(yuǎn)鏡和X射線望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)出多種現(xiàn)象，因此引力波的探測(cè)工作也應(yīng)當(dāng)通過多種波長(zhǎng)來尋找。麻省理工學(xué)院物理學(xué)家、LIGO負(fù)責(zé)人David Shoemaker說：“每一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都有與眾不同的亮點(diǎn)。”
今年3月，引力波研究迎來了新高潮，位于南極點(diǎn)的研究者報(bào)告稱，他們利用BICEP2望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了宇宙大爆炸后最初幾個(gè)月放射出來的原初引力波。原初引力波遍布整個(gè)宇宙，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出LIGO能夠探測(cè)的范圍。BICEP2小組最初報(bào)告稱接收到了強(qiáng)烈的信號(hào)，但當(dāng)論文于6月正式發(fā)表時(shí)，他們承認(rèn)不能完全排除引力波信號(hào)來自宇宙塵埃的可能性。
在世界其他地區(qū)也布置有類似的探測(cè)設(shè)備，德國(guó)漢諾威就有一套名為GEO600的干涉儀，雖然比LIGO的干涉儀在敏感性上差了很多，但當(dāng)引力波真的產(chǎn)生時(shí)，有一套干涉儀總比一套也沒有強(qiáng)。5月份的經(jīng)歷證明了這一點(diǎn)，當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局（NASA）的斯威夫特太空望遠(yuǎn)鏡報(bào)告稱，在附近的仙女座星云內(nèi)發(fā)現(xiàn)高能量噴發(fā)信號(hào)。雖然最終證明這是一次誤報(bào)，但假設(shè)真的有恒星爆炸毀滅，LIGO將會(huì)錯(cuò)過千載難逢的觀測(cè)良機(jī)。路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家兼LIGO科學(xué)合作發(fā)言人Gabriela Gonzalez說：“如果我們沒能在信號(hào)消失之前打開干涉儀，那對(duì)我來說將是一場(chǎng)噩夢(mèng)?！?/p>
升級(jí)后的LIGO將有充足的資金一直保持運(yùn)營(yíng)直到2018年10月。有科學(xué)家透露，即便屆時(shí)LIGO沒有完成預(yù)定目標(biāo)，對(duì)它來說，從NSF拿到下一個(gè)5年的運(yùn)營(yíng)資金幾乎沒有任何問題。若能通過升級(jí)降低高頻率下的噪音，那么LIGO對(duì)引力波的敏感性還能進(jìn)一步提高。目前，LIGO未來的命運(yùn)牢牢地掌握在Rosa及其同事手里。（段歆涔）
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本篇文章來源于: 中國(guó)科技網(wǎng) www.wokeji.com
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