引力波探測器迎來技術升級戰

2015年9月14日，美國激光干涉儀引力波天文台（LIGO）首次直接探測到“時空的漣漪”——引力波。這一發現不僅榮獲了諾貝爾物理學獎，更開啓了引力波天文學的新紀元。自此以後，科學家已累計確認超過百例引力波事件，為觀測黑洞合併、中子星碰撞等宇宙現象提供了全新窗口。就在本月，藉助引力波事件GW250114，科學家還驗證了斯蒂芬·霍金於1971年提出的黑洞理論。

據英國《自然》網站報道，儘管LIGO等探測器的觀測精度已大幅提升，但仍面臨噪聲干擾和靈敏度不足等挑戰，亟須下一代探測器接續探索。目前，愛因斯坦望遠鏡（ET）、宇宙探測器（CE）和激光干涉儀空間天線（LISA）等項目正處於選址或研發階段。這些設備有望帶來前所未有的科學突破。

下一代探測器各有千秋

美國引力波研究團隊計劃建造的CE，結構與LIGO相似，但臂長達到40公里。一旦CE建成並投入運行，每年有望探測到10萬次黑洞合併事件，幾乎能覆蓋整個宇宙歷史中的引力波源，甚至包括100多億年前星系大量形成恆星、黑洞頻繁產生與合併的遠古景象。

ET是歐洲提議建設的第三代地基引力波天文台。它採用三條幹涉臂構成一個等邊三角形。CE主要探測頻段與LIGO相近（約10—1000赫茲），而ET則將頻率下限擴展至1赫茲，使其能更早捕捉黑洞碰撞前的動態，並能觀測更大質量黑洞的合併過程。

LISA則是一項天基探測計劃，由3顆衞星組成一個邊長250萬公里的巨型等邊三角形。LISA致力於探測頻率在0.1毫赫茲到1赫茲之間的低頻引力波。LISA衞星組預計於2035年發射。

中國也規劃了類似的空間引力波探測項目“天琴”與“太極”，預計於21世紀30年代投入使用。

匯聚多項技術創新成果

下一代引力波探測器匯聚了多項前沿技術，顯著提升了探測能力。

首先是通過延長干涉儀臂長提高靈敏度。更長的基線使其在低頻引力波探測方面實現了更高精度，極大擴展了可觀測信號的範圍。

在降低熱噪聲方面，下一代探測器採用了先進的鏡面塗層技術，包括離子束濺射非晶材料和晶體塗層材料，有效提升了中低頻段的靈敏度。同時，低温冷卻技術大幅抑制了反射鏡中的熱振動。

量子壓縮技術也發揮着關鍵作用。該技術通過向干涉儀注入壓縮真空態，有效抑制信號頻段中的量子噪聲。美國麻省理工學院團隊歷經15年攻關，研製出“量子真空壓縮器”，使LIGO的探測距離擴展了超過4億光年，引力波發現效率有望提高50%。

此外，人工智能技術也為引力波探測注入新動力。谷歌“深度思維”公司與LIGO、意大利格蘭薩索研究所聯合開發出“深度環路成型”AI系統，可有效抑制觀測系統中的噪聲，提高控制精度，穩定關鍵測量部件。

潛力與挑戰並存

下一代引力波探測器藴藏着巨大的科學潛力，有望推動人類在探索早期宇宙、檢驗基礎物理理論、發展多信使天文學等方面取得突破。

這些探測器將能夠觀測到幾乎所有的雙黑洞合併事件，從而揭示黑洞的形成與演化歷程。它們還將以前所未有的效率捕捉中子星合併，幫助科學家解析千新星、中微子噴流等天文現象的細節。CE等設備也將揭示一系列新的天體物理過程，從核心坍縮型超新星爆發到中子星發出的連續引力波，極大拓展了人類對極端條件下恆星演化與物質行為的認知。

它們還可提供更精確的宇宙膨脹測量數據，檢驗新型引力理論，甚至探索暗物質的奧秘。通過探測原初引力波並在強引力場中驗證廣義相對論，這些探測器或許將開闢新物理學的窗口。與電磁波、中微子觀測站協同開展的多信使聯合觀測，也將深化科學家們對宇宙現象的理解，推動天體物理學邁入新階段。

然而，建設這些探測器仍面臨諸多技術與資金挑戰。

噪聲抑制與精密工程技術仍是關鍵瓶頸問題，科學家需要開發更先進的激光系統、低温反射鏡和極低噪聲環境。此外，地面探測器需避開地震帶並儘量減少環境干擾，而LISA等空間探測器則需應對衞星發射、在軌維護等複雜工程。

資金問題同樣令科學家擔憂。ET和LISA等項目耗資數十億歐元，且依賴多國合作，資金籌措與國際協調難度極大。更重要的是，這些探測器將產生海量數據，必須建立可擴展的高性能計算平台和先進算法，才能實現信號的即時處理與精確解析。

科技日報記者 劉霞