聆聽五音俱全的引力波宇宙 | ②地基引力波探測_風聞

大家好，我是國家天文台的陸由俊。今天我們繼續談引力波，地基引力波探測。

傾聽宇宙之音的“耳朵”，首先是從地面上開始被建起來的，我們稱之為地基引力波探測器。地基引力波探測器主要有兩類：共振質量引力波探測器和地基激光干涉儀引力波探測器。

共振質量引力波探測器就是利用了共振的原理，可以想象比如遠處有一口大鐘，被撞了一下開始產生聲波，好比是引力波源，在你家裏剛好也有一口鐘，好比是共振質量引力波探測器，假如它的固有頻率跟這一聲波的頻率相近，在聲波的不停驅動下，自家的鐘開始共振或共鳴，你通過測量自家鐘的振動，就可以探測這一“聲音”，也就是引力波。

從中也可以看出共振質量引力波探測器的一大缺點，就是隻對其共振頻率附近的引力波比較敏感，而干涉儀則對很大頻率範圍內的引力波都很敏感，後面還會提到。

美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯教授是引力波實驗探測的先驅。韋伯率先製作了四台棒狀的共振質量引力波探測器，排除種種干擾的噪聲，並於1969年宣佈自己的探測器探測到了引力波信號。緊接着，當時的蘇聯、美國、英國、德國和日本等許多國家都開始建造類似的棒狀探測器，希望也能來“窺探”一下來自宇宙的“聲音”。

但很不幸的是，沒有人能夠重複出韋伯他的實驗結果。於是，人們開始質疑他的數據分析得不對。就連包括斯蒂芬.霍金和基普.索恩在內的理論學家都對韋伯的結果產生質疑，認為韋伯宣稱的探測信號強度遠遠超過任何天體可能發出的引力波強度，不可能是正確的。

韋伯試圖向世界證明，引力波是可以被探測到的。儘管韋伯失敗了，但是他播下的引力波探測的種子卻開始生根發芽，成長壯大，可謂引力波探測的“文藝復興”。世界各國的引力波探測器建設也隨之遍地開花，這其中就包括中國的中山大學建有自己的引力波探測器。

由於棒狀探測器的侷限性，真正能“聽到”引力波微弱的“聲音”的“耳朵”，還是需要靠異常靈敏的干涉儀。干涉儀也有不同原理的干涉儀：激光干涉儀和原子干涉儀等。

大部分地基探測器是激光干涉儀，主要包括在2015年最先真正探測到引力波信號的美國激光干涉引力波天文台(LIGO)、歐洲的室女座激光干涉引力波天文台(Virgo)、日本的神岡引力波探測器(KAGRA)和將要在印度興建的LIGO-India等等。它們都是L型的干涉儀，激光從中間發出，被一分為二，沿着兩條几公里長的等長干涉臂，被反射多次後又重新會聚到一起相互干涉，干涉後信號可能相互增強，也可能相互抵消，干涉後信號的強弱可以被光子探測器觀測到。

由於光的波長很短，只有幾百納米，因此干涉臂的臂長哪怕只是發生了極其微小的變化，也能被探測器所檢測到。當發自宇宙深處某一波源的引力波信號跨過時空，抵達地球經過干涉儀時，兩條幹涉臂的臂長會發生微弱但並不相同的變化，這就導致干涉後的信號的強弱隨時間的變化。通過測量這個變化就能夠捕捉到引力波信號的波形和大致的方向。

美國激光干涉引力波天文台(LIGO)正是如此，在人類歷史上首次捕捉到引力波的。這一引力波信號發自於13億光年外的一對質量分別為36倍太陽質量和29倍太陽質量的黑洞碰撞和併合。

圖：美國先進激光干涉引力波天文台（Livingston）

美國激光干涉引力波天文台和歐洲室女座激光干涉引力波天文台的靈敏度可以達到約10-22，它們在2015-2017年的前兩期觀測中已經確認探測到10例雙黑洞併合事件和1例雙中子星併合事件。特別值得指出的是2017年8月17日探測到的雙中子星併合事件是第一次同時有引力波和電磁波多信使觀測的里程碑事件，它開啓了多信使觀測天文學。2019年4月開始的第三期觀測，它們已經探測到包括雙黑洞併合、雙中子星併合、中子星-黑洞併合等超過50例的引力波事件，但它們還有待進一步的分析和確認。

人們相信在未來幾年，地基引力波天文台會探測到成百上千的雙黑洞、雙中子星、黑洞-中子星併合引力波事件，由此帶來對這些天體和系統形成演化的深刻理解。

未來還會建造更高靈敏度的下一代地基引力波探測器，包括歐洲的愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope; ET)和美國的宇宙勘探者(Cosmic Explorer; CE)。愛因斯坦望遠鏡的臂長達到10公里，整體是三角形結構的激光干涉儀，將放置於地下坑道中以避免地面振動的干擾。而宇宙勘探者則是類似於LIGO的“L”型的干涉儀，但它的臂長是40公里，尺度相當於一個大型城市。它們都是對10-1000Hz的高頻引力波十分敏感，這段頻率也恰好是聲頻的一部分。另外，愛因斯坦望遠鏡對1-10Hz範圍的引力波也有比較好的探測能力。第三代探測器能夠“聽”得很遠很遠，甚至能“聽”到在恆星形成之前的宇宙“黑暗時代”的聲音。

地基的這些探測器可以“聽”到很多源：不僅包括前面提及的恆星級質量的雙黑洞、雙中子星、黑洞-中子星併合產生的引力波，還包括不對稱的中子星的旋轉產生的連續引力波、超新星爆發產生的引力波以及無數雙星旋近併合所形成的引力波背景等等。它們對引力波信號的精準探測可以被用來檢驗廣義相對論、黑洞理論，結合電磁波段的多信使觀測有望解決中子星的狀態方程疑難、超新星如何爆炸等等天文或物理的重要問題。一些波源還可以作為標準汽笛，通過引力波對它們距離的獨立測量和電磁波對紅移的測定，來探測宇宙本身的演化和測定宇宙中包括暗物質和暗能量在內的不同物質組分。

此外，還有基於原子干涉儀的引力波探測器，比如法國的物質波激光干涉引力波天線(MIGA)以及中國計劃建設的沼山長基線原子干涉引力波天線(ZAIGA)，它們都結合了激光干涉與原子的物質波干涉，旨在探測0.1-10Hz的中頻引力波，這個頻段可以探測到一類比較重要的源，就是中等質量的雙黑洞。

中等質量黑洞是超大質量黑洞的種子，它們的存在一直缺乏天文觀測的確切證據，但又具備重要的理論意義，中頻引力波的探測有望彌補這一缺陷。

今天我們就聊到這裏。下一期，我們來談談空間引力波探測。

主講人簡介

陸由俊，中國科學院國家天文台研究員，中國科學院大學崗位教授，主要研究領域為理論天體物理，包括黑洞物理、引力波天體物理、活動星系核和類星體等。