图 LIGO 与引力波（图片来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

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　　作者/靖海

　　来源：DeepTech 深科技（ID：deeptechchina）

　　2019 年 4 月 1 日，全世界的天文学家、物理学家迎来了一个期待已久的大事件：经过对激光、反射镜及一系列设备的重大升级，位于美国的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）与欧洲的室女座干涉仪（Virgo interferometer），大幅提升了自己的探测灵敏度，正式启动了为期一年的第三轮引力波探测实验（O3）。升级后，LIGO 和 Virgo 发现引力波事件的概率将显著增加，开启了人类探索宇宙的新篇章。

　　三年半以前的 2015 年 9 月 14 日，LIGO 和 Virgo 成功探测到了由十几亿光年之外的两个黑洞合并所产生的引力波，让人类第一次观察到了引力波——这个爱因斯坦在一百年前预测出的时空涟漪。短短两年之后，主持 LIGO 项目的雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）就因此斩获 2017 年诺贝尔物理学奖，足见这项发现带给科学界的巨大震撼。

　　而在刚刚完成的这次升级中，LIGO 的灵敏度提升了 40%，将人类探测中子星合并引力波事件的极限距离，从约 3.6 亿光年大幅提升至 5.5 亿光年。而 Virgo 的灵敏度则直接提升了将近 100%。

　　LIGO 与 Vigro 一共有 3 台探测器，它们通过协同工作发现引力波事件的频率，将有望从之前的三年多 11 次，提升至惊人的每周 5 到 10 次。也就是说，从前天开始，人类对引力波事件的发现速度，将从“涓滴细流”，变成“滔滔江水，奔涌不绝”。

　　从爱因斯坦开始，一百年来无数科学家梦寐以求、甚至奋斗一生，才终于盼来了的几次零星的发现，从前天起，将变成每天都可以期待的常态。对于这么重大的进展，科学界是非常兴奋的。

图  LIGO（图片来源：MIT TECHNOLGY REVIEW）

　　除了黑洞合并，提升了灵敏度的 LIGO 与 Vigro 还有望发现更多的中子星合并、尚未观测到的黑洞-中子星合并，以及其它一系列人们期待已久却很难一探究竟的宇宙事件。

　　工欲善其事，必先利其器。如果说，2015 年 LIGO 与 Vigro 第一次发现黑洞合并引力波事件的意义，好比于 400 年前伽利略第一次把望远镜对准太空，找到了“日心说”的证据，将宇宙学研究带入了全新时代；那么这次改进之后的 LIGO 与 Vigro 将重新起航，这意味着使用引力波研究宇宙进入了常态化，并有望带来重大科学发现的持续性大爆发。

　　什么是激光干涉引力波探测仪？

　　根据广义相对论的预测，当两个质量大如黑洞的天体互相加速旋转时，会产生如同水波涟漪一样的时间与空间的变化——引力波。而当它们碰撞和融合时，则会产生一个较强的引力波。这个引力波会在宇宙中扩散，所到之处都会引起当地时空“比较明显”的扭曲与畸变，从而被远在地球的人类探测到。

图 黑洞融合时产生的引力波（图片来源：NSF）

图 4 引力波会在宇宙中传播。（图片来源：NSF）

　　但这个所谓的“比较明显”，依然十分微弱。质量、密度巨大如黑洞的天体，在以接近光速的速度加速运动时产生的引力波，在到达地球时所能引起的空间畸变，大约只有十万亿分之一。相当于直径 1000 亿倍于地球直径的物体，出现了不到一根头发丝粗细的形变。因此，在预测出引力波的存在之后，爱因斯坦本人对于能否真正造出引力波探测仪，并没有过多少指望。

　　图  当引力波传播到地球时，地球的时空也会出现畸变，但这个畸变非常小。只有 LIGO 这样的装置才能探测出来。（注：图中所示的畸变效果经过了夸大，但趋势是这么个趋势。）（图片来源：NSF）

　　直到一个世纪后，爱因斯坦的后辈科学家们，造出了 LIGO。

　　LIGO 系统是由两个相距 3000 公里（分别位于美国南海岸的 Livingston 和美国西北海岸的 Hanford）且完全相同的探测器组成。每个探测器包含两个长度为 4 公里、布置成 L 形的真空管。在L型的拐角处，科学家们会发射激光束，并让其沿真空管方向传播。每束激光到达真空管末端后，会被镜面反射，并沿相反路线返回。在同等的条件下，两束激光应该在完全相同的时间返回源头，由于干涉效应，到达下图右下角的光电探测器的两束激光会相互抵消，因此探测器是探测不到激光的。

　　图 正常情况下，由于干涉效应，到达下图右下角的光电探测器的两束激光会相互抵消（图片来源：MIT）

　　然而，如果有引力波穿过探测器，根据爱因斯坦 100 年前的预测，会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩。尽管这个形变很小，但在真空管 4 公里的尺度上，足够让两束光线的传播距离出现激光波长尺度上的差异，使得到达光电探测器上的光线有时不再能互相抵消，探测器就会探测到激光。这种“失衡”虽然十分短暂，但已足够让科学家们从中发现引力波的踪迹。

图 引力波引起空间畸变，导致光线“泄露”到了探测器上。（图片来源：MIT）

　　这次 LIGO 与 Vigro 做了怎样的升级？

　　但这只是 LIGO 的工作原理。真正的设备要比这些动图复杂、精密得多。

　　1984 年，在美国国家科学基金会（NSF）的推动下，加州理工学院与麻省理工学院开始合作设计、建造激光干涉引力波天文台（LIGO）。

　　图 麻省理工学院的 LIGO 团队。LIGO 项目由麻省理工学院和加州理工学院共同承担。（图片来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

　　1994 年，LIGO 正式开工，并于 1999 年完工。

　　2002 年，LIGO 正式进行第一次引力波探测，虽然到 2010 年都未能探测到引力波，但是累积了很多宝贵的实际运作经验。

　　2015 年，灵敏度升级 10 倍以上的新 LIGO 刚刚上线，就探测到了引力波事件。

　　这一次，LIGO 与 Vigro 在之前的基础上又做了大量的升级。

图 硬件升级中的 LIGO（图片来源：LIGO Scientific Collabration）

　　比如：  

• 激光能量：激光的能量增强了一倍，使得探测引力波的灵敏度大幅提高。

• 反射镜升级：位于 Livingston 和 Hanford 的两处 LIGO 设施都对反射镜进行了升级。一共 8 个反射镜中，有 5 个都升级成了更加强大的新型反射镜。新型反射镜的安装给工程师们制造了不小的难题。

• 噪音控制：光子的随机波动会造成量子噪音，从而增加测量的不确定性。这次升级中，科学家们通过使用一种叫做“压缩光（squeezing light）”的技术，可以把一部分对于测量精度至关重要的相位噪声，“转移”到对于测量来说不那么重要的振幅上，从而提高测量的灵敏度。

图 9 压缩光设备安装（图片来源：LIGO Scientific Collabration）

　　这些改进花费了工程师们数月的时间。如今，精度提高了 40% 的 LIGO 和提高了 100% 的 Vigro 已经整装待发，他们的目标，是人类从未到达过的宇宙深处。这是真正的“星辰大海”。

　　可能的新发现会有哪些？

　　更新后的 LIGO 与 Vigro 会有什么令人激动的新发现？

　　常言道，没有量变，就没有质变。

　　由第二轮引力波探测实验（O2）开启的宇宙探索的“多信使”时代，如今将正式成为宇宙学研究的新常态。如果说 11 次引力波事件的偶然发现，让我们打开了研究宇宙的新大门，那么随着升级后多得多的黑洞融合、中子星融合等引力波事件的持续发现，将注定让我们可以进一步探索出宇宙的过去、现在与未来。

　　著名科技杂志 New Scientist 在其网站上总结出了 5 个可能会出现的新发现：

　　1、黑洞如何配对？

　　到现在为止我们还不知道两个黑洞为什么会来到对方身边，彼此共舞。是产生它们的恒星根本就是一对？还是成熟的黑洞以某种方式通过与其他物体的相互作用被推到一起？通过观察它们的旋转是否一致，我们将有可能得到答案。

图 配对的黑洞（图片来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

　　2、中子星内部是怎样的？

　　中子星的体积只有一座城市大小，但质量却有一个恒星那么大，是除了黑洞以外密度最大的星体。升级前的 LIGO 与 Vigro 曾经发现过一次中子星碰撞产生的引力波涟漪，升级后的它们将有可能通过更多次的发现告诉我们，中子星里面到底藏着什么秘密。

图中子星（图片来源：NASA）

　　3、超新星内部又是什么？

　　超新星爆炸是宇宙中最炫酷的“烟花”。这种爆炸极其明亮，过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，可以持续几个星期甚至几个月之久。到目前为止，我们已经观测到了不少超新星爆炸产生的电磁波——包括 1000 年前中国的一次观测。升级后的 LIGO 与 Vigro 将有望探测到它们产生的引力波。这些引力波将有助于我们对超新星的内部进行观测。

图 蟹状星云——宋朝人民见证过的超新星（图片来源：NASA）

　　4、广义相对论也会失效吗？

　　2016 年，有科学家在对 2015 年观测到的引力波数据进行认真分析后表示，他们在黑洞边缘发现了引力波的“回声”。如果他们是对的，就意味着黑洞周围存在一圈高能粒子，称为“火墙”。这与爱因斯坦的广义相对论相矛盾，意味着 LIGO 在证明了广义相对论预测的引力波的同时，可能也顺便证明了广义相对论会在黑洞边缘失效。是真是假， LIGO 和 Vigro 的第三轮观测可能会解决这个问题。

图 14 黑洞（图片来源：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，就是因为我们看不见它。我们只能看到气体、尘埃和恒星落入其中，现在也能探测出它发出的引力波，但这还不够。至少有一部分我们认为是黑洞的天体，可能压根就不是黑洞：这些天体有着特殊的结构，不会坍塌为一个黑洞，但同样会扭曲时空。如果我们能够找到频率显著不同的引力波，就有可能找到这个问题的答案。

（图片来源：WIKICOMMONS）

　　以上的这五个问题，无一例外都是困扰天文学界的重大问题。

　　然而，这些问题的提出，都还是基于我们现在已有的对宇宙的认知。而在我们的认知之外，LIGO 和 Vigro 将很有可能给我们很多未知的惊喜。

　　引力波探测一直以来都是是全人类的大事，早在 2014 年，中国就提出了“天琴计划”。并且在今年的两会上，全国人大代表、中山大学校长罗俊院士也透露，位于珠海的“天琴一号”地面观测台站已经基本建成，目前正在进行设备安装调试，即将运行。“天琴一号”技术验证试验卫星预计今年年底前发射。位引力波探测地面模拟装置进入可研阶段。

　　前两天，清华大学宣布成立天文系的消息（清华大学也是 LIGO 计划的参与方），也引爆了无数网友“重新高考”的冲动，而这次 LIGO 和 Vigro 的升级，则是扎扎实实的天文研究“利器”的大跃进。究竟这次的升级会给我们带来什么成果，我们暂时还不知道，但它已经让科学界兴奋异常，无比期待。

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　　参考：

　　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