引力波探测器重新上线

撰文｜凯瑟琳·赖特（Katherine Wright）

翻译｜李想

Virgo引力波探测器于2017年重新上线，与LIGO一起帮助科学家搜寻引力波源，锁定波源区域。

2016年初，人类第一次探测到了拂过地球的引力波。激光干涉引力波天文台（LIGO）的两台具有极高灵敏度的探测器（分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州）探测到了两个黑洞合并所引起的时空扭曲。5个月后，科学家宣布了这一消息。世界为之轰动，这一发现成为了2016年最重要的一则物理学新闻。自1916年爱因斯坦首次预言引力波以来，物理学家已经努力了近百年的时间，希望能找到引力波存在的直接证据。

与突破相伴而来的是不少亟待解答的疑问。首要问题是这些引力波从何而来。如果一切进展顺利，科学家很快就能追踪到引力波源，开始进一步探测。

2017年春天，物理学家们一直忙着让第三台引力波探测器Virgo（位于意大利比萨附近）重新上线运行。2015年9月，也就是LIGO收到两个引力波信号的时候，Virgo正处于线下升级中。科学家希望三台大型探测设备能有效地提高寻找引力波源的工作效率。如果“一击三中”（即三个探测器都探测到了同一个引力波），那么陆基望远镜就能瞄准探测器锁定的三角区域，也就有可能找到激发引力波的碰撞地点。

引力波探测器的外形就像一个大写字母“L”，张开的双臂长达数千米。探测器能探测到引力波引发的比质子直径还小的臂长变化。但如果只有一台超灵敏探测器，科学家就无法区分引力波导致的时空扭曲所引起的臂长变化和环境中其他振动引起的臂长变化。此外，每台探测器还要负责一片不小的星空范围，视野需要覆盖地球周围40％的星空——大致相当于你站在一片沙漠里抬起头原地转圈所看到的星空范围——然后试图从这片星空中找到一颗暗弱的恒星。这就好比一个人身处广袤的沙漠，一边打转一边还要找到一颗晦暗不明的星星。

Virgo相互垂直的双臂（图中仅显示了其中一支），每臂长逾3千米。Virgo在真空环境下运行，以保证其中的光学系统不受干扰。这套系统对引力波造成的时空扭曲极为敏感。

LIGO需要两台探测器一起工作还有另一个原因。引力波以光速传播，但除非引力波同时正对着两个探测器，否则两个探测器检测到的扭曲信号总会有毫秒级的时差。科学家就可以利用这个时间延迟计算出碰撞所在的方向，这样便可以缩小寻找引力波源的范围。根据2015年的观测数据，该范围已经缩减到星空的2％，但对于目标搜寻而言这个范围还是太大了。

升级后的Virgo将加入探测工作。升级之前，以Virgo的灵敏度，它连能量最高的引力波也无法探测到。而现在，能提高灵敏度的新反射镜、真空泵还有激光器（皆用于探测设备臂长的微小变化）都一一安装，电路设备也一再检修。新的硬件设施安装完毕，可能干扰引力波信号的普通振动也将被滤除。科学家夜以继日地工作，让Virgo在2017年尽早投入使用，此后LIGO的探测器就能停机检修了。

罗马大学物理学家、Virgo发言人富尔维奥·里奇（Fulvio Ricci）说，完成升级的Virgo运行后，引力波源在星空中的范围应该能再缩小5倍。埃多·伯杰（Edo Berger）是美国哈佛大学的一位天体物理学家，他用望远镜研究了LIGO和Virgo发现的引力波，并进行了修正分析。伯杰认为：“第三个探测器加入探测网络后，引力波源的位置应该会更清楚，波源的寻找将从一项不可能完成的任务变成一项艰巨的任务。”

意大利比萨附近的Virgo引力波探测器于2017年重新上线。由此，3个坐落在世界不同角落的探测器实现了联合探测。

不过事情并不是毫无希望。黑洞碰撞并不是唯一一种能扭曲时空的天文事件。与黑洞碰撞不同，一些天文事件会辐射可见光或者其他能被望远镜观测到的电磁波。比如超新星爆发的余波，或者从正在合并的黑洞视界边缘发出的高能射线，又或者两颗中子星相撞时及中子星被黑洞俘获时发出的可观测信号。目前引力波探测器还没有探测到这类事件导致的时空涟漪，但只要一发现，伯杰和其他天体物理学家便会将他们早已准备好的望远镜，转向那片由3个而非2个探测器锁定的星空。更小的搜索范围意味着更小的天文望远镜也能加入寻找任务，记录下这些事件可能发出的令人眼花缭乱的电磁波。

如果让3个探测器共同运行1个月的时间，那么即便没有罕见的天文事件发生，这段时间也足以观测到来自黑洞合并发出的引力波了。

合作观测可能会让LIGO和Virgo的运营团队考虑延长设备的运转时间，LIGO团队的成员、宾夕法尼亚州立大学物理学家萨蒂亚普拉卡什（B. S. Sathyaprakash）说：“如果结果令人兴奋，计划就可能会改变。”这将是天体物理学翻开新篇章的一个好兆头。