重访爱因斯坦：寻找缥缈的引力波

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

重访爱因斯坦：寻找缥缈的引力波

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

何锐思（Richard de Grijs）

北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

近日，“升级版L I GO”项目已经就绪，准备迎接它的首次科学观测。LI GO意为激光干涉引力波观测台（Laser Int erf eromet er Gravitational-W ave O bservatory），高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）是LIGO经过大规模升级后的版本。LIGO包括位于美国路易斯安那州列文斯顿（Livingston）和华盛顿州汉福德（Hanf ord）的两台独立的探测器，由加州理工学院和麻省理工学院设计并运作，旨在观测时空连续体上的涟漪——引力波。尽管升级后的天文台已于2015年5月19日正式竣工，不过为了使它能够尽快真正投入工作，科学家们夜以继日地奋战直至今日。

“我们花了7年时间装配这台史上最灵敏的引力波探测器。到目前为止，设备的调试非常顺利，我们十分期待201 5年下半年高新激光干涉仪引力波天文台的首次科学工作。那将是这一领域激动人心的时刻。”LIGO项目加州理工学院负责人大卫•瑞兹（David Reitze）说。

引力波是爱因斯坦在一百年前提出的广义相对论所做出的预言，它产生于宇宙中诸如恒星爆炸或黑洞碰撞之类的剧烈事件。就像电荷的加速运动能产生电磁波（如天线中电子的振荡运动），质量的加速运动则会产生引力波。当这些时空连续体上的涟漪传播到地球上，它们不仅能给我们带来源天体的信息，而且也透露出引力在极端条件下的性质——这是其他探测手段所无法获得的。

“50年来，人们通过实验寻找引力波的努力从未停止，但是始终一无所获。引力波实在罕见，而且它们的振荡微弱至极。”瑞兹说。

LIGO项目最初在20世纪90年代提出，在2002年投入观测，但是并没有探测到引力波。由于这只是第一次尝试，所以科学家们并不气馁，并决定对LIGO进行大规模改造——灵敏度要提高十倍以上，使得可观测的目标数量增加超过一千倍。这样，预计每年平均能够出现40次可观测的信号。

“为了达到这一目标，我们从初代LIGO那里吸取了很多教训，并且结合全世界的研究成果和技术发展，重新设计了探测器。”麻省理工学院高新激光干涉仪引力波天文台项目带头人大卫•舒梅克（David Shoem aker）说。

这次升级的内容包括激光器（180瓦高稳定性系统）、透镜（40千克重、悬吊在石英纤维上作为“检验质量”的熔石英镜面）、减震系统（使用惯性感应和反馈技术）以及如何探测检验质量所做的微小移动（小于1018分之一米）的方法。

“高新激光干涉仪引力波天文台的首次科学观测所使用的干涉仪将能‘看’到初代LIGO目力所及三倍远处的事件。”大卫•舒梅克补充说，“因此我们能够探测的空间范围将比原来大得多。”

LIGO干涉仪的L型臂每条长4千米，一束激光在其中一分为二，并且在抽成真空的管道中来回反射。利用这两束激光形成的干涉图像，可以监测两个固定的反射镜之间的距离。根据爱因斯坦的相对论，当引力波经过地球时，这两个镜面之间的相对距离会有微小的改变。

LIGO原来的设备能够探测到4千米臂长上相当于质子直径千分之一的微小变化，如同一根头发丝的宽度之于地球到最近的恒星的距离（约4光年）。而在其基础上改造的高新激光干涉仪引力波天文台威力还要强大得多。

LIG O观测站呈L型布局。[图片来源：Advanced LIGO]

两个黑洞的合并。[图片来源：NASA]

初代LIGO的观测并没有确认引力波的存在，不过人们精确地测出了引力波对于一个双脉冲星系统PSR B1913+6的影响，它与理论的预言完全吻合。这个系统包含两颗绕公共质心运行的中子星（恒星死亡后留下的致密核心），由于引力波带走了能量，两颗子星的轨道正在缓慢地收缩。这种已经进入演化极晚期——即将或者正在经历最终不可避免的两星碰撞——的双星系统，是高新激光干涉仪引力波天文台观测计划中的核心目标。基于诸如上述的观测，科学家已经坚信引力波的存在；不过直接探测到引力波，将会确认爱因斯坦为它勾勒的形象，并为我们观测宇宙中的剧烈的灾难性事件打开新的窗口。

“最终，高新激光干涉仪引力波天文台将能够看到初代LIGO目力所及十倍远的地方。根据理论的预言，每年应该能探测到很多中子星双星合并的事件。”瑞兹说。

改造后的设备将能够看到大质量双黑洞系统生命的最后几分钟：两个黑洞沿着螺旋形的轨道相互接近，最终融合成一个更大质量的黑洞，并产生强烈的震动，如同两个肥皂泡合二为一时那样。高新激光干涉仪引力波天文台还将能够探查到脉冲星以10赫兹到1000赫兹自转所产生的周期性信号。另外，高新激光干涉仪引力波天文台还会用于寻找宇宙的引力波背景辐射，以检验我们对于大爆炸后10-35秒宇宙如何演化的理论是否正确。

“我们预计将在五年之内完成探测器的优化，以达到设计的灵敏度。”瑞兹说，“我们努力了很久，现在对引力波的监测重新开始，我们都很兴奋。”

“原来的探测器能够探测到最远约5000万光年的事件，”西澳大学教授大卫•布莱尔（David Blair）说，“但是即使在这个距离上，我们也只能期待每100年发生一次（引力波）事件。如果能把探测器的灵敏度提高10倍，那么就能看到宇宙中10倍远的地方，而可观测的空间范围将是原来的1000倍。”

研究者使用位于澳大利亚西部金金（Gi ngi n）的引力研究中心的设备小心地加热高新激光干涉仪引力波天文台的镜面，使其形状产生微小的变化，以提高探测器的灵敏度，使得它能够感受到来自2亿光年远的引力波。

2005年，大卫•布莱尔的团队预言了一种“参数不稳定”的问题：激光有时候会被镜面的热运动弹回，产生额外的振荡。2014年11月高新激光干涉仪引力波天文台开机时，人们确实发现了这一现象。

“这有点像广播里的尖啸声（麦克风的位置放得不好时，会有忽然增强的尖啸声），因此我们研发了一整套设备来控制探测器中的这种不稳定性，在未来的几年里，我们还会继续使用它们。”大卫•布莱尔说。

“原来的探测器能够探测到最远约5000万光年的事件。”大卫•布莱尔说。[图片来源：NASA Goddard Space Flight Center]

同在西澳大学、由温琳清教授领导的另一个团队则研究出了一种实时拣选信号的方法。而在过去，这项工作需要花费几周乃至几个月的时间。他们研发了一种电子“耳”软件，将大大改进目前的引力波搜寻工作。

该软件能够识别出不同的频率变化模式，就像人的大脑从耳蜗毛细胞那里接收神经信号并对其不同模式产生识别，以此辨别出我们听到的不同的声音一样。LIGO探测器工作的频率范围是从10赫兹到3000赫兹。我们关心的由引力波产生的振动幅度只有1020分之一米的量级，相当于一个质子直径的十万分之一。但是引力波信号有一种特征：它会像小鸟的啁啾声那样急剧地提高音调，利用这一点我们能够很快识别出它们。如果位于美洲大陆两端的两个或者更多的探测器都探测到了同一个信号，那么这将被看作是引力波存在的证据。

这个电子“耳”的想法来自加州理工学院陈雁北教授的工作，不过将其付诸实践的是温琳清教授和三名博士生。“这一系统安装在计算机显卡上，我们得益于由于计算机游戏的需要而发展起来的高速显卡处理器。”大卫•布莱尔说。

为了让灵敏的仪器能够发挥作用，它们需要抵御周遭从地震、强风到科学家骑车经过所带来各种振动噪声。只有这些噪声都被抵消掉，LIGO才有可能探测到那些由超新星爆发或者黑洞融合事件产生的引力波所带来的、微弱得超出想象的振动。这些引力波携带着它们的源天体以及有关引力本身性质的关键信息。因此，对它们的探测将为天文学研究开启新的窗口。

加州理工学院、喷气推进实验室和艺术中心设计学院联合组织了名为“数据可视化暑期实习”的项目，他们让参与的学生帮助确认一个探测器上出现的尖峰信号是引力波还是其他普通的振动。为此，他们研发了彩色可视化程序，以表征信号与已知事件的关联，如下图所示。

左边的表盘表示每个事件被记录的时间；右边每条棒的长度表示事件的强度，连接两条棒的线表示两个事件之间相关联的程度。与LIGO已有的分析方法相结合，这种直接观看“事件”的新方法能够帮助研究者辨别并排除地球上噪声信号的影响。这直接提高了LIGO探测器对天文事件的探测能力，使得人们对虚无缥缈的引力波的探测变得容易多了。

“当高新激光干涉仪引力波天文台开始工作时，全世界都将会注目，而且明年室女座激光干涉仪引力波探测器（Vi rgo，意大利和法国联合建造）和今后其他探测器的加入会共同组成一个国际观测网。”美国路易斯安那州立大学物理和天文学系加布里拉•冈萨雷斯（Gabri el a Gonz á l ez）教授说，“LIGO联合团队已准备好彻底、及时地分析引力波探测器的数据，以推进我们对天体物理学的认识。期待未来几年能有重要的结果。”

高新激光干涉仪引力波天文台汉福德观测站控制室的技术员正在为第一次全面运行做准备。[图片来源：Caltech/ M I T/L I G O Laboratory]

高新激光干涉仪引力波天文台是迄今人类所做出的最为灵敏的测量仪器。[图片来源：Advanced LIGO]

用来筛查引力波信号的超级计算机。[图片来源：AE I/M. Fiorito]

“我在通过实验搜寻引力波方面工作了很多年，以我个人的经验来看，可以说，这是对于直接探测引力波这一领域极为重要的时刻，”Vi rgo联合发言人、罗马第一大学实验物理学教授富尔威尔•里奇（Fulvio Ricci）说。“高新激光干涉仪引力波天文台投入运行，是建立由先进的探测器组成的国际观测网的最重要一步。Virgo和LIGO过去曾收集数据并做出过一些有意思的成果。而现在，做出新发现的时机已经成熟，我们将为基础物理学和天文学教科书写下新的一章。”

“能够成为建造迄今最为灵敏的探测器的国际合作项目中的一员，我感到非常振奋。现在，我们正在‘监听’宇宙中最微弱的信号，它们却是由最猛烈的事件所产生的。”澳大利亚国立大学量子科学系教授大卫•麦克里兰（Davi d M cClelland）说。“看着LIGO一步步成长真是让人激动，每过一年，你都会发现新知识和新技术变得更有意义。”澳大利亚研究委员会首席执行官艾丹•拜恩（Aidan Byrne）补充道。

事实上，这对天文学和基础物理来说都是激动人心的时刻。我们正站在一扇大门前，门后面是为电磁光谱所遗漏的一片广大的区域，在那里我们能够对引力现象的基本原理做出根本性的检验。