引力波探測器升級重啟，靈敏度提升25％

通過長達一年的系統改進和升級，科學家於11月30日正式重新啟動了激光干涉儀引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）雙探測器。

過去一年中，科學家改進、強化了LIGO系統的激光器、電子設備以及光學設備等性能，最終使得LIGO天文台的靈敏度提高了10％到25％。科學家希望升級後的LIGO探測器能夠探測到宇宙深處發出的更多、更頻繁的引力波信號以及引發引力波信號的宇宙極端現象。

2015年9月14日，LIGO探測器首次直接探測到引力波，僅兩天後（9月14日），科學家再次啟動了升級版本的「高級LIGO」（Advanced LIGO）探測器——對初始LIGO系統的兩個大型干涉儀探測器的升級，一個位於華盛頓州漢福德（Hanford，Washington），另一個距離路易斯安那州利文斯頓（Livingston，Lousiana）3,000公里。通過分析「高級LIGO」的探測信號，科學家確定所探測信號確實是引力波，產生於距離地球13億光年處的兩個巨型黑洞的合并。

僅在三個多月後，2015年12月26日，LIGO探測器再次探測到一例信號，經過科學家解碼確認為第二例引力波信號，產生於宇宙更遠一點處——距離14億光年之遠——的另一例黑洞合并。

現在，LIGO科學合作（LIGO Scientific Collaboration，LSC）成員希望通過對LIGO系統的最新升級，能夠檢測到由黑洞碰撞以及其他宇宙極端現象產生的更頻繁的引力波信號。

麻省理工學院新聞中心（MIT News）對麻省理工學院LIGO項目副主任、LIGO項目探測器首席科學家彼得·弗雷斯切爾（Peter Fritschel）進行了獨家專訪，探討了LIGO項目的最新進展。

問：LIGO探測器下線停機後，進行了哪些改進和升級？

答：兩個探測天文台進行了不同的改進。

對於路易斯安那州利文斯頓的探測器，主要對真空系統內部做了大量改進工作，更換或添加新組件。舉個例子，每個探測器都包含四個測試質量塊，用於響應通過的引力波，安裝在複雜的懸掛系統中以保證將其與局部環境隔離開。前期測試表明，在這些懸掛塊的振動模式中，其中兩個振動模式引起的振蕩會影響LIGO系統的性能，妨礙探測器以最佳工作靈敏度進行探測。因此，我們設計並安裝了一些調諧被動阻尼器來減小這些模式的振蕩幅度。這項改進有助於利文斯頓探測器以其最高靈敏度長時間運行。

對於華盛頓州漢福德的探測器，主要針對性的增強了激光干涉儀中存儲的激光功率。在第一次觀測運行種，干涉儀的每個長臂中具有大約100千瓦的激光功率。從那之後，我們一直致力於將其提高兩倍，以實現每個長臂200千瓦的激光功率。

這是相當困難的，因為存在隨著激光功率的增加會產生熱效應以及光學-機械相互作用，而這些附加效應會產生系統不穩定性。實際上，我們成功地解決了這些問題，並能實現以200千瓦的激光功率操作探測器。然而，還有其他問題會影響系統敏感性，而我們目前沒有時間來解決，所以目前探測器是以比第一次觀測運行功率高20％到30％的激光功率運行的。這種功率的適度增加，能夠對探測頻率高於大約100赫茲引力波信號的靈敏度提供雖小但卻顯著的靈敏度增加。

此外，我們還收集了很多重要信息用於計劃下一個探測器調試期，也就是這次為期六個月的觀察運行期結束後開始的調試期。在達到最終期望的設計靈敏度之前，還有很多挑戰性的工作。

問：通過這些新的改進和升級，目前LIGO系統的探測靈敏度是多少？

答：通常使用的靈敏度指標是指對於兩個中子星（neutron stars）合并產生的引力波的探測敏感性，因為這個系統比較容易計算和驗證。但是要注意，目前我們還沒有探測到中子星和中子星碰撞合并產生的引力波。現在的利文斯頓探測器已經足夠靈敏，能夠檢測到遠達2億秒差距*（6.6億光年）之外的合并事件產生的引力波。相比於第一次觀察運行期間的探測距離，這已經提升了大約25％。對於華盛頓州漢福德探測器，相應的靈敏度範圍與其首次觀察運行期間的靈敏度範圍相當，大約比上述數據低15％。

*秒差距（parsecs），一種天體距離單位，1秒差距=3.26光年。

當然，在第一次觀測運行中，我們探測到的是兩個黑洞合并，而非中子星合并。儘管如此，兩個探測器對於黑洞合并靈敏度的比較是大致相同的：與去年的觀察運行期相比，利文斯頓探測器的靈敏度提高了大約25％，而漢福德探測器的靈敏度大致相同。然而，即使靈敏度的小幅度提高也很有幫助的，因為被探測的空間體積以及引力波探測的速率都是隨著探測距離的立方而增長。

問：此次LIGO系統重啟在線運行，科學家希望「聽到」或者檢測到哪些信號？

答：首先，我們當然期望檢測到更多的黑洞合并，目前這仍然是一個令人非常著迷的領域。回想第一次觀察運行期間，我們檢測到兩例黑洞雙體合并，這足以證明還能探測到第三次黑洞合并。隨著LIGO系統靈敏性的適度提高以及計劃收集更多的數據，我們會逐漸增加對宇宙中黑洞數量的認識。

此外，我們也期望能夠探測到兩個中子星合并產生的引力波。這些系統的存在是確定的，但目前還不知道其是否普遍存在，所以我們還不能確定到底需要多高的靈敏度才能探測到。這將是非常有趣的，因為雙中子星合并（除了別的以外）被認為是星系中重元素（如貴金屬）的生產者和分配者。

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