LIGO重启有望拓展物理学边界

参考消息网6月14日报道 美国“逆向”网站5月28日刊登题为《100多年后，天文学家终于对爱因斯坦最疯狂的理论有了清晰的认识》的文章，作者是美国宾夕法尼亚州立大学物理学教授查德·汉纳，内容编译如下：

在中断3年后，科学家刚刚启动了能够测量引力波的大型天文探测器。引力波是太空中穿越宇宙的微小涟漪。

与光波不同，引力波几乎不受宇宙中的星系、恒星、气体和尘埃的阻碍。这意味着，通过测量引力波，像我这样的天体物理学家可以直接窥探宇宙中某些最壮观现象的中心。

摆脱休眠状态

自2020年以来，激光干涉仪引力波观测台(LIGO)在经历一些激动人心的升级之际一直处于休眠状态。这些改进将大大提升LIGO的灵敏度，应该能使这座设施观测到在太空中产生更小涟漪的更遥远天体。

通过探测更多产生引力波的事件，天文学家也将有更多机会观测同样事件产生的光。通过多种信息渠道观测同一个事件的方法被称作多信使天文学，这种方法为天文学家提供了他们渴望获得的宝贵机会，能够在远超任何实验室测试的领域研究物理学。

根据爱因斯坦的广义相对论，质量和能量扭曲了空间和时间的形状。时空的弯曲决定了物体相互运动的方式——即人们所感知的重力。

当黑洞或中子星等巨大天体合并导致太空突然发生重大变化时，引力波就会产生。太空变形和弯曲的过程会像波浪划过静止池塘一样在宇宙中激起阵阵涟漪。这些波从产生扰动的地方向四面八方传播，途中会微微弯曲空间，稍稍改变物体之间的距离。

尽管产生引力波的天文事件涉及宇宙中一些质量最大的天体，但空间伸展和收缩的幅度微乎其微。穿过银河系的强大引力波可能只会使整个银河系的直径改变1米。

尽管爱因斯坦在1916年首次作出预言，但那个时代的科学家们对于测量根据引力波理论假设的微小距离变化基本不抱希望。

在2000年前后，加州理工学院、麻省理工学院和世界其他大学的科学家建造完成有史以来最精确的尺——LIGO。

LIGO由两个独立的观测台组成，一个位于华盛顿州汉福德，另一个位于路易斯安那州利文斯顿。每个观测台的形状都像一个巨大的L，两根4公里长的手臂从设施中心成直角向外伸展。

为了测量引力波，研究人员让激光从设施中心照向L结构的基座，激光在那里分裂，两道光束各沿一条手臂传播，再从一个镜子上反射回基座。如果引力波在激光照射时穿过手臂，那么两束光返回设施中心的时间会有极其微小的差异。通过测量这一差异，物理学家可以察觉有引力波穿过这座设施。

升级探测能力

LIGO于本世纪初开始运行，但它的灵敏度不足以探测到引力波。因此，2010年LIGO团队暂时关闭了这处设施，进行升级以提高灵敏度。升级版LIGO于2015年开始收集数据，几乎立即探测到两个黑洞合并产生的引力波。

自2015年以来，LIGO已经完成了三次观测运行。第一次运行持续约4个月；第二次运行持续约9个月；第三次运行持续11个月，直到新冠大流行迫使这些设施关闭。从第二次运行开始，LIGO一直与意大利的一个名为Virgo的探测器共同观测。

每两次运行之间，科学家都会改进探测器的物理组件和数据分析方法。到2020年3月第三次运行结束时，LIGO和Virgo合作项目的研究人员已经探测到黑洞和中子星合并过程中产生的大约90次引力波。

这两处观测台仍未达到为它们设计的最大灵敏度。因此，2020年这两处观测台都再次关闭进行升级。

科学家们一直在致力于多项技术改进。

一项前景特别看好的升级是增加一个300米长的光学谐振腔，以改进一种名为“压缩”的技术。压缩使科学家能够利用光的量子特性降低探测器噪声。通过这次升级，LIGO团队应该能够探测到比之前弱得多的引力波。

我和我的同事是LIGO合作项目的数据科学家，我们一直在研究对软件和算法进行不同的升级。这些软件用于处理LIGO数据，算法用于识别LIGO数据中的引力波迹象。这些算法的工作原理是搜索与数百万个黑洞和中子星合并事件理论模型相匹配的模式。

搜寻微弱信号

与之前版本的算法相比，改进后的算法可以更容易地从数据中的背景噪音中找出引力波的微弱迹象。

2023年5月初，LIGO开始了一场名为工程运行的短暂试运行，以确保一切运转正常。5月18日，LIGO探测到了可能由一颗中子星与一个黑洞合并产生的引力波。

LIGO为期20个月的第四次运行于5月24日正式开始，随后Virgo和日本的一个新观测台神冈引力波探测器也将加入进来。

尽管这次运行有很多科学目标，但特别关注实时探测和定位引力波。如果研究小组能够识别引力波事件，弄清引力波来自何处，并迅速提醒其他天文学家注意这些发现，那么天文学家就能够把用于收集可见光、无线电波或其他类型数据的望远镜对准引力波源头。

对单个事件收集多个渠道的信息，即多信使天文学，就像给黑白默片添加颜色和声音，能够帮助人们更深入地了解天体物理现象。

通过第四次运行，天文学家将可以使用历史上最敏感的引力波观测台，并有望收集到比以往更多的数据。我和我的同事希望未来几个月能进行一次——或者多次——多信使观测，从而扩展现代天体物理学的边界。