2017的物理諾獎頒給了發現引力波的LIGO三劍客——對宇宙真理的百年追逐（下）

科技 10-04

主頁君說

北京時間10月3日下午5點45分，

正在主頁君編輯這篇文章的時候，

瑞典皇家科學院宣布將

2017年諾貝爾物理學獎授予著名的LIGO三劍客

Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他們採用LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory的簡寫，即激光干涉引力波天文台）在人類首次探測到引力波的卓越貢獻。主頁君此時唯一的想法就是回去再看一遍科幻片《星際穿越》，當然這三塊諾獎獎章也為我們這篇文章的下期開了一個好頭。

因為LIGO的獲獎只是開始，而對宇宙真理的追逐，卻永不停歇。

上期鏈接：又一次發現引力波的LIGO——對宇宙真理的百年追逐（上）

三位諾獎獲得者的正式消息

2016年9月28日LIGO第四次宣布探測到黑洞融合引力波，

不過本次探測加入了一個新的探測儀名字

，Virgo。處女座引力波干涉儀（Virgo是十二星座中的處女座的英文）是位於義大利比薩附近的引力波天文學觀測台（上圖），由法國，義大利，荷蘭，波蘭和匈牙利五國的科研機構共同管理。作為LIGO在歐洲的「表親」，Virgo的干涉臂有3千米長，在進行獨立觀測的同時，輔助和配合LIGO的觀測以更好地鎖定引力波波源在太空中的具體位置。

雖然LIGO探測到了引力波，但和任何波一樣，引力波是沒有指向性的擴散式傳播，因此如上圖藍色區域所示，單憑LIGO兩個探測站反向追蹤源頭會產生一大片不確定宇域，致使天文望遠鏡的後續觀測需先搜索大片宇宙確定黑洞具體位置。由於宇宙是由長寬高和時間組成的四維空間，因而正如GPS定位需要至少4顆衛星一樣，

確定引力波來源位置也至少需要4座之間有足夠距離的探測站

。Virgo的加入雖無法完成準確定位，但也可通過簡單的三點定位原理把範圍縮小到上圖中黃色區域，

大幅度減小後續觀測的難度

。

LIGO探測的黑洞位置範圍（上圖）和LIGO+Virgo探測的位置範圍（下圖）

儘管Virgo的加入縮小了位置範圍，但上圖中每一個亮點都是一個星系，圈哪怕再小都覆蓋了數個星系。若要再進一步縮小黑洞的具體位置範圍，則還需要更多的，覆蓋全球的引力波探測儀。

LIGO和Virgo已經投入觀測，印度的LIGO仍在規劃階段，

最有可能在2020年左右開始觀測的引力波觀測儀便是日本的神岡引力波探測器（KAGRA）

。KAGRA由神岡山的英文首字母Ka和引力英文首字母Gravitation組成，由東京大學宇宙射線研究所（ICRR）負責管理，在此之前該研究所已建造完成一個300米長干涉臂的TAMA原型機，和一個100米長干涉臂的CLIO（Cryogenic Laser Interferometer Observatory）低溫測試觀測儀。

KAGRA的干涉臂和Virgo一樣長3千米，不過和LIGO以及Virgo不同，KAGRA探測儀深埋在神岡山底以避免外界的振動和引力干擾，

同時KAGRA將是第一個採用主動降溫系統的引力波觀測儀

。和LIGO，Virgo的室溫恆溫控制不同，

KAGRA的真空管反射鏡面將主動降溫至零下253oC，以盡最大可能減少分子因為熱量運動產生振動而造成的探測噪音

。KAGRA的加入可使4個遍布地球的探測儀對引力波的源頭進行更精確的定位，同時亦可驗證超低溫引力波觀測的可行性。

除去確定引力波源頭具體位置，更多引力波探測儀可解決的另一問題便是LIGO探測的黑洞質量。在引力波之前光是天文學唯一的觀測方式，因此連光都無法逃脫的黑洞自然無法直接觀測。不過由於黑洞對時空巨大的扭曲，導致物體在墜入前劇烈崩塌產生熱量後釋放X-光，

因此可通過X-光天文望遠鏡觀察強烈的X-光源

，再配合上對黑洞後星體光源的扭曲

（如上圖所示），來發現以及確認黑洞位置。LIGO迄今為止已經確認探測到四組黑洞合併（下圖縱軸為太陽質量倍數），令人在意的是合併前的8個黑洞中有6個質量遠超X-光探測的黑洞質量，合併後的4個黑洞更是毫無疑問的超巨型黑洞。在GW150914之前天文學家從未發現任何質量超過太陽質量20倍的黑洞，這就不難理解為何從發現到證實，LIGO用了整整5個月的時間核對確認數據無誤。

圖中左下角為X射線的發現，而藍色中實線的四個則為LIGO觀測的大質量黑洞合併事件

與其說LIGO探測偏向大質量黑洞讓人困惑，倒不如說X-光探測偏向小質量黑洞更讓人困惑。由於X-光觀測基於黑洞附近質量的崩塌，

有越多質量的黑洞也就越容易被發現

，那麼按常理來說X-光探測應偏向大質量黑洞而不是反過來，同時

大質量黑洞對星體光源的扭曲也更明顯，理應更容易而不是更難觀測

。

是LIGO探測儀自身噪音造成小質量黑洞融合無法探測，還是黑洞其他不為人知的特徵導致引力波探測和X-光探測不同的偏向？

這恐怕就是今日天文學家，物理學家和數學家所要面對的「水星軌道」問題吧。

LIGO從2010年（綠線）到2015年（紅藍線）的精度提升

提高測量精度是解決LIGO探測偏向大質量黑洞的可能方案之一，如上圖所示LIGO從2015年首次探測到引力波開始便一直致力於降低噪音，及圖中各顏色曲線的厚度，目標在2019年達到圖中黑線的LIGO理論設計精度。而採用超低溫觀測的KAGRA則更富有野心一些（下圖），預計KAGRA的目標理論設計精度在低頻率100Hz左右波段要略高於LIGO。

不過不管是LIGO，Virgo還是KAGRA，在地球上建造對測量精準度要求極高的引力波干涉儀探測器，都要面臨著許多不同來源，不同頻率的振動干擾所造成的，不可能突破的理論設計極限。這也是為何上面三張圖中探測儀對不同頻率的引力波，

探測精度有著數量級的差別

。

圖中所有的彩色線條便是任何在地球的激光引力波干涉儀都無法跨越的探測障礙

。紫線為量子噪音（Quantum noise），及發射的激光自身所產生的噪音，由於激光是基於量子物理理論的「通過受激輻射產生的光放大」，再精準的激光都會因為量子物理的天然不確定性而產生散粒雜訊。同時激光發射光子攜帶的動能也會對鏡面產生微小推力改變鏡面位置，進而產生探測噪音。紅線為鏡面塗層的熱噪音（Mirror coating thermal noise），及任何塗層在非絕對零度時都會產生一定噪音。藍線為懸掛熱噪音（Suspension thermal noise），及為抗振設計的懸掛裝置在吸收外在振動時拉伸收縮所產生的熱量。最無語的是綠線引力噪音（Gravity gradient noise），及外在物體產生的極小引力造成的噪音，而由於LIGO對精度的極高要求，造成影響的質量甚至可以是正好飄到設施上空的一片雲……當然以上是現在LIGO探測頻率的主要噪音來源，如果想特別探測低頻率的引力波，那麼要應付的噪音來源……

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不過說到這裡估計會有人問了，之前說過引力波對探測儀長度改變是振幅乘以探測器長度，

既然改變不了引力波振幅，為何不加長干涉臂的長度呢？

那樣豈不是更容易檢測到長度變化嘛？的確如此，但如果要想提高一個數量級的長度變化，則需要40千米長的直線真空管幹涉臂。這是什麼概念呢，一架747的巡航高度大約為12千米，顯然如此長的真空管不管在選址還是實際建造上都是不可能完成的。不過，這個不可能完成結論僅限於在地表上。正如為提高天文望遠鏡觀測能力而發射了在宇宙工作的哈勃太空望遠鏡一樣，

引力波探測器要進一步提高性能也必須「上天」

。

上天的理由不只是精度，還有安全問題，畢竟在地面上一切都會發生，比如LIGO曾經被迷迷糊糊的司機撞過，據說司機眼神不好，沒有看到這條

長達4千米

的溝

還曾經被莫名其妙的掃射過（據說是周圍有人打獵時躺槍的）

激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）是由歐洲空間局（ESA）負責的引力波太空觀測天文台，

計劃在2030年代發射由三顆衛星組成的陣列，在接近地日L5點的地日連線20度角的環太陽軌道上進行引力波觀測

。和LIGO採用L型設計不同，LISA的三顆衛星成等邊三角形排列，每顆衛星將在內部懸浮兩個質量體，並同時激光測量兩個質量體和其他兩顆衛星攜帶的質量體之間的距離。由於沒有外界力的影響，只有引力波能改變兩個不同衛星攜帶的質量體之間的距離，這樣LISA便可通過同時對比3組經過相位位移的波形來計算出引力波波形。

效果如圖

沒有了真空管建造限制，LISA的等邊三角形干涉臂長度在百萬千米級，比LIGO的干涉臂整整高了6個數量級。

因此LISA所要探測的振幅長度變化大約在20皮米左右，及10-11次方數量級，略小於氦原子直徑，在測量上比LIGO略微容易些。

和LIGO相比雖然在絕對探測精度上LISA略低（下圖縱軸），但由於更長的干涉臂意味著可以探測波長更長的波，波長越長頻率越低，LISA的探測頻率可覆蓋許多LIGO無法探測到的低頻率（下圖橫軸）引力波。

2017年6月20日LISA正式獲得ESA的L3許可，意味著LISA已經從最初的計劃驗證階段進入實際研發建造階段，預計發射時間定為2034年。而給予ESA如此自信進行長達十餘年千萬歐元投資的，正是ESA在2015年12月3日發射，並在2016年3月8日投入使用的LISA探路者探測器。

LISA探路者探測器目的在於測試是否可在宇宙中進行精確的激光測量，以確保LISA核心技術的可行性。在進入地日L1點的環繞軌道後，探路者內部兩個各重約兩千克，由特製的消磁金鉑合金製造的，完全相同的質量會自由漂浮在各自的真空容器內，在幾乎完全不受外界干擾的情況下，由激光精確測量兩個質量在探測器移動時的相對位置和加速度。同時探路者還測試了ESA的冷氣推進器和NASA的膠質電磁推進器，

這兩款精確控制微牛頓級別推力的引擎可幫助LISA完成觀測引力波時的位置微調

。1微牛是10的-6次方牛頓，一隻蚊子在地球的重力大約為30微牛頓，足可見ESA和NASA的兩款推進器在精密推力控制上的極致。

2016年6月7日ESA公布了LISA探路者的測試結果（上圖）。

探路者的兩次測試精度（紅線和藍線）遠超探路者預計設計精度5倍（圖上端黑線）

。在超低頻率段0.01Hz以下已經達到未來LISA所需的探測精度（圖下端黑線），而在較高頻率段0.01Hz以上，探路者展示的測量精度甚至超過了LISA所需的測量精度。這意味著從0.01Hz到1Hz的低頻引力波，這個哪怕LIGO在理論設計測量精度都無法觸及的頻率，這個已經步入宇宙早期量子波動引力波的頻率，將會被LISA「聽」的一清二楚。