http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-07-22
全球最大引力波天文台蓄势待发 开启天文研究新纪元
全球最大引力波天文台蓄势待发 物理学：“波”的未来
围绕着引力波的探测，研究者之间的竞争十分激烈，因为直接探测到引力波将开启天文学研究领域的新纪元。
在美国巴吞鲁日市东边的路易斯安那沼泽中，每日例行的搜寻引力波的研究直到下午才能正式开始。在早晨就开展研究是注定要失败的，因为附近充斥着州际公路嘈杂的车流、火车的呼啸声和伐木工人手中时断时续的锯木机伐木声。
路易斯安那州立大学物理学家Ryan de Rosa很清楚有一个漫漫长夜在等着他。Rosa与其他6名科学家和工程师正在努力完成对探测器的升级工作，以便完全掌控位于研究设施中心位置的红外激光光束。通过精确控制光束的投射方向以及准确测量光束穿过的距离，激光干涉引力波天文台 （LIGO）小组希望观测到引力波产生的与众不同的振幅。爱因斯坦曾于近100年前预测，时空中存在引力波，但是引力波产生的振幅非常轻微，到目前为止还没有研究者能直接探测到它。
另一组来自汉福德核设施的研究小组将于近日抵达LIGO的驻地。该小组使用与LIGO同样的研究设备，如果两个研究小组能够强强联合，联通后的设备将价值6.2亿美元，能够在明年开始收集资料。升级后的设备将是世界上对引力波最敏感的探测器，很有可能帮助LIGO成为第一个直接探测到引力波的研究小组。
围绕着引力波的探测，研究者之间的竞争十分激烈，因为直接探测到引力波将开启天文学研究领域的新纪元。天文学家称，找出引力波的来源将给予他们新的研究方法，以探究黑洞碰撞、恒星湮灭及时空振动的秘密。引力波是打开动态宇宙研究的一扇窗。
无处不在却无影无形
理论上说，地球充斥着引力波，这些引力波可以来自任何打破宇宙时空稳定的事件，就如同地震时产生的地震波一样。一颗正在走向灭亡的恒星会不断发生爆炸成为超新星，在爆炸过程中会释放出大量引力波。并不非常均匀的高密度物体释放出的引力波则相对更加富有节奏，例如自旋速度极快的中子星。其他能够产生引力波的来源可能还包括黑洞和相互环绕的中子星，它们会在运动过程中不断地彼此接近，最终爆发毁灭性的碰撞。
1992年，在经过数十年的规划、修改及原型设计后，美国国家科学基金会（NSF）决定拨款2.72亿美元（2008年的美元购买力为4.2亿美元）建造专门用于引力波探测的干涉仪，并将之命名为LIGO。该计划需要两台一模一样的探测器，相互间隔数千公里，以便形成交叉探测阵型，增加准确率。其中一台布置在华盛顿，另一台就布置在路易斯安那州利文斯顿市。
LIGO的问题在于，它究竟能够对引力波观测到什么程度。物理学家Rainer Weiss说：“当我们初次提出LIGO计划时，唯一的观测源就是超新星。我们认为可以通过观测超新星从而每年探测到1次，甚至10次引力波。”但是，升级后的电脑模拟给出了更加精确的答案，研究者每年有可能观测到的引力波能量波动远远低于原先的预期。即使有一颗超新星距离地球极近，但研究者仍然可能什么也探测不到。
另一个担忧则指向中子星，研究者担忧LIGO难以从状态极不稳定的中子星上直接观测到引力波。马里兰大学理论天体物理学家Cole Miller曾于去年主持LIGO的外部科学顾问小组，他说：“研究者曾经对一些引力波来源的探测感到乐观，但实际情况却不是那样。”
但无论怎样，随着时间的推移，引力波探测正在不断取得进展，LIGO的科学家对通过观测中子星探测引力波一事越来越乐观。他们认识到，当这些恒星相互碰撞时，它们会释放出纯净的、易于被探测到的引力波信号，而LIGO对信号的敏感强度足以保证不会让这些信号从眼皮底下溜走。因为，即便在LIGO设备还未升级时，一样能够探测到距离地球20百万秒差距（6500万光年）的两颗中子星相互碰撞的信号。
经过本次升级后，LIGO对引力波信号的敏感强度将稳步上升，最终将提高10倍。因此，升级后的LIGO的观测距离将不再局限在20百万秒差距，而是提升到150百万秒差距甚至200百万秒差距。这使得LIGO能够观测的宇宙范围增加了1000倍，并极大提升了直接探测到引力波的几率。
“吵闹的邻居”
噪音问题在利文斯顿市尤其突出，此外，探测器数公里外就是车来车往的州际公路和铁路线。调查显示，早在1988年研究者就警告过噪音对研究的负面影响，但问题其实并没有报告中显示的那般不可调和。路易斯安那州参议员、来自民主党的Bennett Johnson正在力促NSF为LIGO拨款，帮助项目平稳运行。对于引力波探测，利文斯顿市实际上有诸多优势：地震很少，有大量平原地形。此外，附近的路易斯安那州立大学已经成立了一个由引力物理学家组成的研究团队，LIGO随时可以获得学者的支持。LIGO项目的规划者认为，以上这些优点足以弥补噪音带来的缺点。
对于噪音问题，特别需要指出的就是伐木作业。利文斯顿实验室高级研究员Brian O’Reilly认为，伐木作业对于LIGO项目来说是一种长期毒药。他时常会走到窗边，向着外围被伐木工人“清空”的场地愤怒地挥舞着手臂。O’Reilly说：“我们不能对伐木公司说必须停止作业，以保证我们可以顺利地探测引力波。”不过，伐木作业并不会天天进行，且经过长期相处之后，LIGO的工程师已经学会调整仪器的频率以规避噪音带来的影响。
升级后的LIGO将配备强力红外线激光，外加一套回收系统，提升探测器对光子的敏感性，并促使探测器更加高效地探测引力波。因为对于探测器来说，能够探测到的光子数量不是越多越好——光子数量越多，白噪音效应就越大，过高的噪音会毁掉探测到的信号。
LIGO实验室执行主任David Reitze透露，如果LIGO项目一直运转良好，升级后的LIGO第一期项目将于2015年末正式开展。第二期项目将在2016年至2017年开展，届时很有可能取得突破性进展——首次直接探测到引力波。Weiss特别指出，2016年是爱因斯坦在论文中提出引力波概念100周年，如果在2016年探测到引力波将是一份最好的纪念礼物。第三期项目将于2017年至2018年开展，届时将十分准确地锁定引力波信号。
全球竞争
在利文斯顿市周围还有其他几个研究小组也在尝试探寻引力波，并且都有实力抢在LIGO之前发现引力波。引力波与光一样，混杂在多种频率的波长之中，在射电望远镜和X射线望远镜中呈现出多种现象，因此引力波的探测工作也应当通过多种波长来寻找。麻省理工学院物理学家、LIGO负责人David Shoemaker说：“每一个研究团队都有与众不同的亮点。”
今年3月，引力波研究迎来了新高潮，位于南极点的研究者报告称，他们利用BICEP2望远镜探测到了宇宙大爆炸后最初几个月放射出来的原初引力波。原初引力波遍布整个宇宙，其波长远远超出LIGO能够探测的范围。BICEP2小组最初报告称接收到了强烈的信号，但当论文于6月正式发表时，他们承认不能完全排除引力波信号来自宇宙尘埃的可能性。
在世界其他地区也布置有类似的探测设备，德国汉诺威就有一套名为GEO600的干涉仪，虽然比LIGO的干涉仪在敏感性上差了很多，但当引力波真的产生时，有一套干涉仪总比一套也没有强。5月份的经历证明了这一点，当时美国宇航局（NASA）的斯威夫特太空望远镜报告称，在附近的仙女座星云内发现高能量喷发信号。虽然最终证明这是一次误报，但假设真的有恒星爆炸毁灭，LIGO将会错过千载难逢的观测良机。路易斯安那州立大学物理学家兼LIGO科学合作发言人Gabriela Gonzalez说：“如果我们没能在信号消失之前打开干涉仪，那对我来说将是一场噩梦。”
升级后的LIGO将有充足的资金一直保持运营直到2018年10月。有科学家透露，即便届时LIGO没有完成预定目标，对它来说，从NSF拿到下一个5年的运营资金几乎没有任何问题。若能通过升级降低高频率下的噪音，那么LIGO对引力波的敏感性还能进一步提高。目前，LIGO未来的命运牢牢地掌握在Rosa及其同事手里。（段歆涔）
[中科网-科学报]