“科学重器”实现重大升级 引力波事件或成为常态
圖 LIGO 與引力波（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
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作者/靖海
來源：DeepTech 深科技（ID：deeptechchina）
2019 年 4 月 1 日，全世界的天文學(xué)家、物理學(xué)家迎來了一個期待已久的大事件：經(jīng)過對激光、反射鏡及一系列設(shè)備的重大升級，位于美國的激光干涉引力波天文臺（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）。升級后，LIGO 和 Virgo 發(fā)現(xiàn)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并所產(chǎn)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(yù)測出的時空漣漪。短短兩年之后，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(xué)獎，足見這項發(fā)現(xiàn)帶給科學(xué)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并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 臺探測器，它們通過協(xié)同工作發(fā)現(xiàn)引力波事件的頻率，將有望從之前的三年多 11 次，提升至驚人的每周 5 到 10 次。也就是說，從前天開始，人類對引力波事件的發(fā)現(xiàn)速度，將從“涓滴細(xì)流”，變成“滔滔江水，奔涌不絕”。
從愛因斯坦開始，一百年來無數(shù)科學(xué)家夢寐以求、甚至奮斗一生，才終于盼來了的幾次零星的發(fā)現(xiàn)，從前天起，將變成每天都可以期待的常態(tài)。對于這么重大的進(jìn)展，科學(xué)界是非常興奮的。
圖LIGO（圖片來源：MIT TECHNOLGY REVIEW）
除了黑洞合并，提升了靈敏度的 LIGO 與 Vigro 還有望發(fā)現(xiàn)更多的中子星合并、尚未觀測到的黑洞-中子星合并，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(fā)現(xiàn)黑洞合并引力波事件的意義，好比于 400 年前伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)太空，找到了“日心說”的證據(jù)，將宇宙學(xué)研究帶入了全新時代；那么這次改進(jìn)之后的 LIGO 與 Vigro 將重新起航，這意味著使用引力波研究宇宙進(jìn)入了常態(tài)化，并有望帶來重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的持續(xù)性大爆發(fā)。
什么是激光干涉引力波探測儀？
根據(jù)廣義相對論的預(yù)測，當(dāng)兩個質(zhì)量大如黑洞的天體互相加速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生如同水波漣漪一樣的時間與空間的變化——引力波。而當(dāng)它們碰撞和融合時，則會產(chǎn)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(dāng)?shù)貢r空“比較明顯”的扭曲與畸變，從而被遠(yuǎn)在地球的人類探測到。
圖黑洞融合時產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生的引力波，在到達(dá)地球時所能引起的空間畸變，大約只有十萬億分之一。相當(dāng)于直徑 1000 億倍于地球直徑的物體，出現(xiàn)了不到一根頭發(fā)絲粗細(xì)的形變。因此，在預(yù)測出引力波的存在之后，愛因斯坦本人對于能否真正造出引力波探測儀，并沒有過多少指望。
圖 當(dāng)引力波傳播到地球時，地球的時空也會出現(xiàn)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(jīng)過了夸大，但趨勢是這么個趨勢。）（圖片來源：NSF）
直到一個世紀(jì)后，愛因斯坦的后輩科學(xué)家們，造出了 LIGO。
LIGO 系統(tǒng)是由兩個相距 3000 公里（分別位于美國南海岸的 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、布置成 L 形的真空管。在L型的拐角處，科學(xué)家們會發(fā)射激光束，并讓其沿真空管方向傳播。每束激光到達(dá)真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等的條件下，兩束激光應(yīng)該在完全相同的時間返回源頭，由于干涉效應(yīng)，到達(dá)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，由于干涉效應(yīng)，到達(dá)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(jù)愛因斯坦 100 年前的預(yù)測，會使兩個真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮。盡管這個形變很小，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(xiàn)激光波長尺度上的差異，使得到達(dá)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(xué)家們從中發(fā)現(xiàn)引力波的蹤跡。
圖引力波引起空間畸變，導(dǎo)致光線“泄露”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(shè)備要比這些動圖復(fù)雜、精密得多。
1984 年，在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的推動下，加州理工學(xué)院與麻省理工學(xué)院開始合作設(shè)計、建造激光干涉引力波天文臺（LIGO）。
圖麻省理工學(xué)院的 LIGO 團(tuán)隊。LIGO 項目由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同承擔(dān)。（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
1994 年，LIGO 正式開工，并于 1999 年完工。
2002 年，LIGO 正式進(jìn)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(jīng)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(chǔ)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：
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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。
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反射鏡升級：位于 Livingston 和 Hanford 的兩處 LIGO 設(shè)施都對反射鏡進(jìn)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制造了不小的難題。
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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(xué)家們通過使用一種叫做“壓縮光（squeezinglight）”的技術(shù)，可以把一部分對于測量精度至關(guān)重要的相位噪聲，“轉(zhuǎn)移”到對于測量來說不那么重要的振幅上，從而提高測量的靈敏度。
圖 9壓縮光設(shè)備安裝（圖片來源：LIGO Scientific Collabration）
這些改進(jìn)花費了工程師們數(shù)月的時間。如今，精度提高了 40% 的 LIGO 和提高了 100% 的 Vigro 已經(jīng)整裝待發(fā)，他們的目標(biāo)，是人類從未到達(dá)過的宇宙深處。這是真正的“星辰大海”。
可能的新發(fā)現(xiàn)會有哪些？
更新后的 LIGO 與 Vigro 會有什么令人激動的新發(fā)現(xiàn)？
常言道，沒有量變，就沒有質(zhì)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(xué)研究的新常態(tài)。如果說 11 次引力波事件的偶然發(fā)現(xiàn)，讓我們打開了研究宇宙的新大門，那么隨著升級后多得多的黑洞融合、中子星融合等引力波事件的持續(xù)發(fā)現(xiàn)，將注定讓我們可以進(jìn)一步探索出宇宙的過去、現(xiàn)在與未來。
著名科技雜志 New Scientist 在其網(wǎng)站上總結(jié)出了 5 個可能會出現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)：
1、黑洞如何配對？
到現(xiàn)在為止我們還不知道兩個黑洞為什么會來到對方身邊，彼此共舞。是產(chǎn)生它們的恒星根本就是一對？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(zhuǎn)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）
2、中子星內(nèi)部是怎樣的？
中子星的體積只有一座城市大小，但質(zhì)量卻有一個恒星那么大，是除了黑洞以外密度最大的星體。升級前的 LIGO 與 Vigro 曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過一次中子星碰撞產(chǎn)生的引力波漣漪，升級后的它們將有可能通過更多次的發(fā)現(xiàn)告訴我們，中子星里面到底藏著什么秘密。
圖中子星（圖片來源：NASA）
3、超新星內(nèi)部又是什么？
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(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，可以持續(xù)幾個星期甚至幾個月之久。到目前為止，我們已經(jīng)觀測到了不少超新星爆炸產(chǎn)生的電磁波——包括1000 年前中國的一次觀測。升級后的 LIGO 與 Vigro 將有望探測到它們產(chǎn)生的引力波。這些引力波將有助于我們對超新星的內(nèi)部進(jìn)行觀測。
圖蟹狀星云——宋朝人民見證過的超新星（圖片來源：NASA）
4、廣義相對論也會失效嗎？
2016 年，有科學(xué)家在對 2015 年觀測到的引力波數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析后表示，他們在黑洞邊緣發(fā)現(xiàn)了引力波的“回聲”。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“火墻”。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(yù)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）
5、甚至于，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、塵埃和恒星落入其中，現(xiàn)在也能探測出它發(fā)出的引力波，但這還不夠。至少有一部分我們認(rèn)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(jié)構(gòu)，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(xué)界的重大問題。
然而，這些問題的提出，都還是基于我們現(xiàn)在已有的對宇宙的認(rèn)知。而在我們的認(rèn)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”。并且在今年的兩會上，全國人大代表、中山大學(xué)校長羅俊院士也透露，位于珠海的“天琴一號”地面觀測臺站已經(jīng)基本建成，目前正在進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試，即將運行。“天琴一號”技術(shù)驗證試驗衛(wèi)星預(yù)計今年年底前發(fā)射。位引力波探測地面模擬裝置進(jìn)入可研階段。
前兩天，清華大學(xué)宣布成立天文系的消息（清華大學(xué)也是 LIGO 計劃的參與方），也引爆了無數(shù)網(wǎng)友“重新高考”的沖動，而這次 LIGO 和 Vigro 的升級，則是扎扎實實的天文研究“利器”的大躍進(jìn)。究竟這次的升級會給我們帶來什么成果，我們暫時還不知道，但它已經(jīng)讓科學(xué)界興奮異常，無比期待。
-End-
參考：
http://news.mit.edu/2019/lisa-barsotti-improved-ligo-gravitational-waves-0401
https://www.newscientist.com/article/mg24132234-200-the-5-biggest-physics-questions-that-ligos-reboot-could-soon-answer/
https://www.ligo.org/news.php
https://www.ligo.org/news/pr-O3resumes.pdf
https://www.geekwire.com/2019/ligo-virgo-detectors-get-sync-gravitational-wave-hunt-thatll-last-year/
https://my.ligo.org/census.php
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational-wave_observatory
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27209262
https://www.youtube.com/watch?v=B4XzLDM3Py8
https://www.technologyreview.com/s/603069/listening-to-the-heavens-the-discovery-of-gravitational-waves-proved-einstein-right/
https://www.technologyreview.com/s/601147/a-40-year-quest-to-prove-einstein-right/
https://www.technologyreview.com/s/600791/gravitational-waves-have-been-discovered-opening-a-new-window-on-the-universe/
http://news.mit.edu/2017/ligo-virgo-first-detection-gravitational-waves-colliding-neutron-stars-1016
http://kpzg.people.com.cn/n1/2016/1215/c404389-28952037.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的“科学重器”实现重大升级 引力波事件或成为常态的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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