城市大小的「望遠鏡」每年可觀測到百萬次時空漣漪

俄亥俄州哥倫布——2.5英里長的引力波探測器並不酷。你知道什麼是酷？一個25英里長引力波探測器。這是星期六(4月14日)在美國物理學會4月會議上舉行的一系列會談的結果。下一代的引力波探測器將會與可觀測宇宙的外邊緣相媲美，在時空的結構中尋找漣漪，這是愛因斯坦預測的，當黑洞碰撞的時候會發生。但主持人告訴觀眾，在他們的建設過程中仍然存在著一些重大的挑戰。

引力波是時空結構中的漣漪，圖片：Shutterstock

麻省理工學院的物理學家馬修·埃文斯(Matthew Evans)告訴觀眾：你可能認為現在的探測器非常敏感，這是真的，但它們也是最不敏感的探測器，可以(可能)探測到引力波。當然，目前的探測器並不是什麼可以看到。當2.5英里長(4公里)的激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年首次探測到時空的增長和收縮時——這是一個由兩個黑洞相撞的13億年前的碰撞的引力回聲——它證明了曾經完全是理論的、不可見的引力波的存在，並在僅僅兩年後就獲得了LIGO的創始人的諾貝爾獎。

但是LIGO和它的表妹，1.9英里(3公里)長的義大利式室女座引力波探測器，從根本上來說是有限的。麻省理工學院的物理學家塞爾瓦托·維塔萊說，這兩種探測器都只能夠探測到地球上相對接近地球的物體的引力波。它們在能夠檢測到的對象的類型中也受到限制。到目前為止，目前的干涉儀只有兩項主要的結果：2015年探測黑洞合併，以及在2017年8月發現兩顆中子星相撞(這也是會議上的一個熱門話題)。雖然已經發現了更多的黑洞碰撞，但是他們並沒有在第一次探測提供令人震驚的結果。

埃文斯說，建立更大的、更精確的LIGOs和Virgos，或者一種叫做「愛因斯坦望遠鏡」的大型探測器，每隔幾個月就會有超過100萬次的引力波探測。當說這些探測器把我們帶到宇宙的邊緣時，它們幾乎可以探測到所有的雙星系統，指的是碰撞的恆星、黑洞和中子星。這意味著在宇宙的早期發現黑洞的可能性，探測到引力的深層奧秘，甚至可能首次探測到恆星的引力波，並坍縮成中子星或黑洞。

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。LIGO和室女座是，正如之前報道過的，基本上是巨大的l型領先者。兩個隧道從彼此的直角處伸出，利用激光對隧道長度進行精確的實時測量。當引力波經過探測器時，它本身的長度會發生微小的變化。曾經一英里變成了，短暫的，略少於一英里。而激光，穿過較短的距離稍快一點，表明發生了變化。但是測量的精確度是有限度的。大多數的波會對激光產生輕微的波動，而對於干涉儀來說，它的影響要小得多。

改善LIGO和處女座現有隧道的探測技術可以讓事情有所改善，而且還計劃這樣做。要真正放大信號，唯一的選擇就是加大力度。下一個步驟是一個l型的探測器，它的臂長為24.86英里(40公里)，是LIGO的10倍。該提議為「宇宙探索者」。它足夠大，可以探測到任何一個引力波探測器可能探測到的任何東西，但並不是那麼大，以至於底層物理學開始瓦解，或者成本變得不可思議的高，即使是這種令人瞠目的昂貴的科學項目。(LIGO的最終成本達到了數億美元。)

那麼為什麼會有這麼大的探測器，而不是兩倍或十倍大呢？在某一時刻，大約24.86英里(40公里)長，光從隧道的一端移動到另一端的時間很長，實驗可能變得模糊，結果變得不那麼精確，而不是更多。至少，成本是具有挑戰性的。LIGO和處女座足夠小地球的曲率並不是一個重大的建築挑戰。但是每隻臂的長度為24.86英里(40公里)，將每條隧道的兩端置於地面，這意味著隧道的中心必須是98.43英尺(30米)的地下(假設地面是完全平整的)。超過40公里，從長隧道中挖出的泥土的運輸距離開始接管成本。

還有一個基本的問題就是找到一個足夠大的平坦空間來建造這麼大的探測器。歐洲基本上沒有足夠大的地方，而在美國，這些選擇僅限於猶他州的大鹽湖地區和內華達州的黑岩沙漠。這些空間挑戰驅動了另一種巨大的重力波探測器設計，叫做愛因斯坦望遠鏡。雖然L型是測量引力波的最佳方法，但一個有三條隧道和多個探測器的三角形，在佔據更小空間的同時，也能做得差不多，這是歐洲地理局限性的理想選擇。Vitale說，這些探測器還需要15到20年的時間才能完成，而建造這些探測器所必需的技術還沒有發明出來。儘管如此，他和埃文斯都告訴聚集在一起的科學家們，現在是時候開始研究它們了。已經有8個工作組準備了一份報告，報告將於2018年12月發布的這類大規模設備的科學依據。

一名觀眾問埃文斯，建造一個5英里(8公里)長的探測器是否有意義，而一個真正的宇宙探索者或全尺寸的愛因斯坦望遠鏡還需要10年的時間。埃文斯說，如果他是在一個資助委員會，他不會批准這樣一個項目，因為加倍LIGO的規模的科學回報並沒有那麼大。只有在隧道規模的上限，這樣一個項目的成本是合理的。除非我知道，出於某種原因，(一個8公里長的探測器將是有史以來最大的)，這是不值得的。儘管如此，這並不意味著科學家必須等待15到20年才能獲得下一個主要的引力波結果。隨著越來越多的探測器當前規模的網路，包括Virgo-sized Kamioka引力波探測器(KAGRA)在日本和LIGO-sized LIGO-India，改進現有的探測器，研究人員將有機會來衡量個人引力波從更多的角度，使更多檢測和更詳細的結論。

博科園-科學科普｜文：Rafi Letzter/Live Science

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！