引力波探測器么？我們需要更大的

一個城市規模的「望遠鏡」可以觀察每年100萬次的時空波動

引力波是時空結構中的漣漪。

一條2.5英里長的引力波探測器夠不夠？遠遠不夠，我要25英里長的。

這是周四（4月14日）在美國物理學會4月份會議上進行的一系列會談的結果。下一代引力波探測器將與可觀測宇宙的外邊緣同行，尋找時空結構中的漣漪，愛因斯坦預測這種漣漪在黑洞等大量物體相撞時會發生。但演講人告訴聽眾，他們的探測方式仍然存在一些重大挑戰，需要有很多改進的地方。

「你可能認為目前的探測器非常敏感，」麻省理工學院物理學家Matthew Evans告訴聽眾。「很對，但相對於你可以[可能]檢測到的引力波，它們也是最不敏感的探測器。」

當然，沒有必要對目前的探測器嗤之以鼻。當2.5英里長（4公里）的激光干涉儀引力波天文台（LIGO）首次在2015年探測到時空膨脹和收縮—兩顆黑洞之間13億光年外的歷史性碰撞的引力回波—它證明了曾經完全是理論上的引力波的存在。並且在短短兩年後，LIGO檢測到引力波的成果獲得了諾貝爾獎。

但發言人說，LIGO及其堂兄弟，1.9英里長（3公里）的義大利樂器Virgo，基本上是有限的。麻省理工學院物理學家Salvatore Vitale說，這兩種探測器只能真正發現物體相對接近地球的整個宇宙尺度的引力波。它們在可檢測的物體類型方面也有限。

到目前為止，目前這一代干涉儀實際上只有兩個主要成果：2015年發現黑洞合併，以及2017年8月發現兩顆中子星碰撞（也是會議上的熱門話題）。已經發現了更多的黑洞碰撞事件，但他們在第一次探測之前並未提供令人驚嘆的結果。

埃文斯說，建立更大規模，更精確的LIGO和Virgos，或稱為「愛因斯坦望遠鏡」的大型引力波探測器，引力波的檢測速率可以從每幾個月一次飛躍到每年超過100萬次。

三角愛因斯坦望遠鏡是一種大型引力波探測器，已經有十多年的歷史了。

「當我說這些探測器將我們帶到宇宙邊緣時，我的意思是他們幾乎可以探測到每一個融合的二元系統，」他指的是一對正在碰撞的恆星，黑洞和中子星。

這意味著探測宇宙早期黑洞的可能性，探測重力的深奧秘密，甚至有可能首次探測到恆星超新星的引力波，並塌陷成中子星或黑洞。

越大越好

那麼為什麼更大的探測器會導致對引力波更敏感的搜索？為了理解這一點，你必須了解這些探測器是如何工作的。

正如Live Science之前報道的，LIGO和Virgo是基本上巨型的L形結構。兩個隧道以直角相互分開，使用激光對隧道長度進行極其精細的瞬間測量。當引力波通過探測器，擾動空間本身時，該長度會稍微改變一點。空間上的一英里不再是一英里，會略短於一英里。激光，稍微更快地穿過這段距離，表明發生了變化。

但是，這種測量是有限度的。大多數引力波浪對激光的擾動太小，干涉儀不會注意到。埃文斯說，改善LIGO和Virgo現有隧道的檢測技術可以改善某些問題，並且有計劃這樣做。但是為了真正放大信號，他說，唯一的選擇是做得更大。

埃文斯說，下一個步驟是一個L型探測器，其長度為24.86英里（40公里），是LIGO尺寸的10倍。他稱這一提議為「宇宙探險家」。他說，這將足以探測到引力波探測器可能檢測到的任何東西，但它不會太大，以至於底層物理學開始崩潰或成本變得非常高，即使是這種眼花繚亂的昂貴科學項目。（LIGO的最終成本達到了數億美元。）

那麼為什麼需要這種尺寸的探測器，而不是兩倍或10倍大？

在一個約24.86英里（40公里）長的地方，埃文斯說道，光從隧道的一端移動到另一端時會變得模糊，使得結果不夠精確。

成本至少具有挑戰性。埃文斯說，LIGO和Virgo足夠小，以至於地球的曲率並不是一個重大的建設挑戰。但是，在每個手臂24.86英里（40公里）的情況下，將每個隧道的末端放在地平面上意味著隧道的中心必須在地下98.43英尺（30米）（假設地面完全平坦）。

「超過40公里，」埃文斯說，「噪音（從長長的隧道里）開始接管成本。」

還有一個基本的問題，即尋找一個足夠大的平坦空間來構建這麼大的探測器。埃文斯說，歐洲基本上沒有足夠的地方，而在美國，選項只限於猶他州的大鹽湖地區和內華達州的黑岩沙漠。

那些空間挑戰推動了替代的大規模引力波探測器設計，稱為愛因斯坦望遠鏡。雖然L形是衡量引力波的最佳方式，但埃文斯說，三個隧道和多個探測器的三角形幾乎可以做得更好，同時佔據更小的空間，非常適合歐洲的地理限制。

這些探測器距離完成還有15到20年的時間，Vitale說，所有構建它們的技術尚未發明。儘管如此，他和埃文斯都告訴負責裝配的科學家，「現在是時候」開始研究它們了。Vitale表示，已經有八個工作組為2018年12月發布的這種大規模設備的科學依據編寫報告。

一位觀眾詢問埃文斯是否有意建造一個5英里長（8公里）的探測器，而一個真正的宇宙探測器或全尺寸愛因斯坦望遠鏡還有十多年的歷史。

如果他在籌資委員會，他不會批准這樣一個項目，因為LIGO的規模增加一倍的科學回報並不是那麼大，Evans說。他補充道，這只是在隧道規模的上限，這樣的項目的成本是合理的。

「除非我知道由於某種原因[8公里探測器將成為現實中最大的探測器]，但這並不值得。」他說。

儘管如此，維塔勒說，這並不意味著科學家們在引力波結果的下一個主要階段不得不等待15到20年。隨著越來越多的探測器進入網路，包括日本的Virgo大小的Kamioka引力波探測器（KAGRA）和LIGO大小的LIGO-India，隨著現有探測器的改進，研究人員將有機會從更多的角度測量單個引力波，獲得更多的檢測數據和更詳細的結論，以及引力波是從宇宙的哪個位置傳播到地球上的。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！