探测的尝试

探测的尝试

自1950年代以来，天文学家们有了直接探测这些模糊波纹的希望。这一项目显得十分复杂，因为引力波（传播）的通道显示为时空几何的轻微振动，它会导致两个“固定”对象之间距离极微弱的变化。天文学家们预测（引力）波的振幅——即引力波所引起的两个对象之间距离的相对变化——在10^-21米数量级。这相当于在两个相距100千米的被观测对象之间造成10^-16米数量级的距离变化，这一数字比质子的尺寸还小！（探测的）关键就是要分离出这些变化，尽管它们如此微小。最早的努力在1960年代。美国马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯制造了第一个“探测器”，这是一个巨大的（长2米，直径50厘米的实心）铝圆柱体，它应该会在引力波通道的影响（即引力波的照射）下产生谐振（vibration résonnante）。但即便韦伯宣布过几次成功的消息，后来都被推翻，因为这个“探测器”的敏感度远不足以探测到可能存在的引力波。

在接下来的十年中，一些物理学家意识到使用激光干涉法揭示这一微小距离变化的可能性。他们团结在基普·索恩（供职于加州理工学院）周围，建立了建造大型探测器的基地，这些探测器可以让激光束在很长的距离上通行。我们会在下文描述美国的LIGO项目，它获得了首次探测成功。美国国家科学基金会表示，这个项目是基金会资助过的科研项目中最贵的（其预算和伊拉克战争每小时的耗费在一个数量级）。这一探测器与欧洲（主要是法国和意大利的）探测器VIRGO合作，VIRGO团队也同样宣布了首次探测成功的消息。其他类似项目也存在：德国的GEO600（600米臂长激光干涉引力波探测器）以及日本的KAGRA（大型低温引力波望远镜）。

LIGO引入了两台距离3000千米（对引力波来说相当于10毫秒的传播时间）的“引力干涉仪”，一台位于华盛顿州，另一台位于路易斯安娜州。它于2002年至2010年间在美国运转，随后于2015年重新启动（以Advanced LIGO版本现身，即高新LIGO），配有改进后的探测器。

图19:Virgo的干涉仪的图解

LIGO的每台探测器都引入了一面半反射的光学镜，它将超稳定的（ultra-stable）激光束分向相互垂直的两个方向。两束出来的激光束在很长（3千米）的管道内传播——管道内是非常严格的真空——直到抵达悬挂（以避免地震干扰）的光学镜。通过一系列反射，激光束完成多次管道内的往返（直到总传播长度达到150千米）后再被组合以生成干涉图样，这一图样取决于两束光束传播长度的差异。该项目的想法是引力波的经过应该会使两个长度之一发生变化（约10^-18米），于是干涉图样边缘的移动能够被探测到，即便这一距离极其微小（比一个质子的尺寸还小！）。在探测中需要战胜的敌人是噪音：热噪音，地震噪音（只有空间项目才能完全摆脱它），以及其他杂音。只有科技的进步才能与它们抗衡。

振幅和频率刻画了引力波的特性。VIRGO和LIGO能够在10至1000赫兹的频率范围内探测到10^-21米数量级的振幅，地面的振动（地震噪音）阻挠了探测器向更低频率范围的探测。这些数值确定了探测器可能探测到的、导致引力波形成的各种天文现象。在这里，它们是发生在我们星系中的恒星的引力坍缩（它导致了黑洞，我们预期这类坍缩每世纪不超过一个），或者是更远位置一些高质量天体（中子星或黑洞）之间的碰撞。