引力波獵手再啟程，這一次將藉助量子力學之力

　　來源：Nature自然科研

　　升級後的LIGO和Virgo探測器將發布更加精準的「時空漣漪」數據。

　　引力波探測熱潮再起——這一次將藉助量子力學之力。美國LIGO（激光干涉引力波天文台）的兩台探測器和義大利的Virgo引力波探測器在歷經了19個月的關閉升級後，已於4月1日正式恢複數據採集工作。升級後的探測器不僅能發現更多的引力波（即時空漣漪，其背後蘊含了大量宇宙信息），還能進行更詳細的探測，這在一定程度上有賴於被稱為「壓縮光」（light squeezing）的量子現象。研究人員希望能捕捉到尚未探測到的事件，比如超新星或黑洞與中子星的併合。

Virgo引力波探測器位於義大利比薩附近，自2017年以來，其靈敏度已經提高了一倍左右。

　　此次運行將持續至明年3月，標誌著引力波天文學研究的一次重大改變。LIGO和Virgo將首次公開發送實時的引力波探測信號，幫助其它天文台以及擁有望遠鏡的個人了解如何探測引力波事件，以便更多的傳統設備，無論是射電望遠鏡還是天基X射線望遠鏡，都可以加入探測任務。據悉，LIGO和Virgo的探測信號還會通過一款手機App發布。加州理工學院物理學家、LIGO項目負責人David Reitze說：「天文學家早已迫不及待。」LIGO曾於2015年首次探測到引力波。

　　在此前的兩次觀測性運行中，LIGO的兩台探測器一共發現了11個引力波信號，每個信號都來自一次劇烈的宇宙碰撞，其中10個都源自雙黑洞併合。規模較小的Virgo探測器在2017年加入探測隊伍後，協助完成了若干次探測，尤其是在2017年首次發現了雙中子星併合產生的引力波，此次事件的探測數據幫助天文學家破解了多個宇宙奧秘。

　　Reitze認為，升級後的探測網路將能捕捉到更多事件，從平均每月一次上升到大約每周一次。雖然大多數事件可能還是黑洞併合，但物理學家迫切希望再發現一次中子星碰撞。

　　靈敏度升級

　　靈敏度增加有助於探測器更好地從持續的背景雜訊中區分出真正的信號，為物理學家提供更多的引力波細節。這也能反過來檢驗廣義相對論——愛因斯坦曾在廣義相對論中預言引力波的存在。

　　澳大利亞莫納什大學的理論天體物理學家Ilya Mandel表示，未來的探測應能解開黑洞在併合過程中的一些謎團，比如它們的自旋速度和方向。他說：「也許我們可以慢慢釐清黑洞究竟會不會優先對齊。」

　　如果兩個黑洞的旋轉軸相互平行，那就意味著它們擁有相同的起源，而且最初是兩顆一起繞轉的恆星；反之，如果兩個黑洞的自旋為隨機對齊，則說明它們擁有不同的起源，是後來才開始相互繞轉的。

　　LIGO位於美國路易斯安那州利文斯頓的裝置目前已經是最靈敏的引力波探測器，而升級後的靈敏度將再增40%。2017年，LIGO位於華盛頓州漢福德的干涉儀以及Virgo出現技術性障礙，影響了其探測能力，不過現已完成了部分追趕目標。義大利國家核物理研究院物理學家、Virgo的調試協調人員Alessio Rocchi表示，升級後的Virgo探測距離增至原先的兩倍左右。

　　激光升級

　　此次靈敏度升級主要來自對天文台核心激光器的兩處更改。

　　LIGO的兩個探測器都是L形的真空系統，分別有兩個 4公里長的干涉臂。義大利比薩附近的Virgo裝置與此類似，但臂長只有3公里。探測器內部的兩端設有反射鏡，激光束會在反射鏡之間來回折返。當引力波通過地球時，激光束長度會發生非常微小的改變。

　　為了讓背景雜訊中的信號更易被識別，LIGO和Virgo的物理學家增加了激光器的功率，並首次應用量子力學中的 「壓縮光」。

　　真空中充斥著轉瞬即逝的基本粒子。在引力波探測器中，這種隨機漲落導致激光束中的光子在不可測的時候撞擊反射鏡。而這一直是LIGO和Virgo探測高頻或者說高音引力波的主要障礙。不過，物理學家能利用壓縮光來操控這種漲落，使之為己所用。於是，只要使部分漲落轉向低頻，就能進一步提升高頻波的探測幾率。

　　壓縮光

　　幾十年來，壓縮光一直是量子光學實驗的一件標準工具，並從2010年開始被應用於GEO600探測器——位於德國漢諾威，探測臂臂長600米，是LIGO的一個試驗台。2010年，一支團隊在GEO600探測器上首次測試了壓縮光技術。

　　壓縮光技術尤其適合探測雙中子星併合以及較小黑洞所產生的引力波。這是因為較輕的天體相互呈螺旋狀盤旋時，會在碰撞前以最高每秒500次的頻率相互繞轉，這會使引力波的「音高」（頻率）大增，超出干涉儀的探測區間。提高探測器的靈敏度則有望一直追蹤到天體最後的結局。

　　從現在起，引力波的每次成功探測都將公開發出實時信號。因此，全世界的天文學家都在準備跟進引力波的探測，利用傳統技術，包括射電、光學和X射線天文台，檢驗相同事件。

　　LIGO和Virgo之前探測到雙中子星併合產生的引力波時，全球各地的天文台都對事件進行了跟蹤觀測，這也是天體物理學界對「多信使」天文學的首次嘗試。但是，之前想要跟蹤觀測的天文學家團隊必須與LIGO–Virgo團隊簽署諒解備忘錄，才能收到被視為機密的信號。此外，研究人員還必須遵守禁發期規定。但是從這次升級後運行開始，此類限制將全部解除。「如果他們在跟蹤觀測時發現了一個類似事件，他們想怎麼做都可以。他們的發表內容和時間都將不再受限，」 Reitze說，「這是一個很大的轉變。」

　　與此同時，在日本新建的KAGRA引力波天文台里，研究人員正在緊鑼密鼓地調試他們的探測器，力爭在2020年初加入探測隊伍。第四台探測器的加入將大大提升對這類宇宙事件的定位精度。

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