一座城市規模的引力波探測器酷不酷？

4千米長的LIGO算什麼，想想看40千米長的極光引力波探測器酷不酷？

過去3年里，LIGO引力波探測器給了我們莫大的驚喜，還成功摘得2017年諾貝爾物理學獎。受到鼓舞，科學家們正在尋求新的更大的突破。在4月14日舉行的美國物理學會四月會議上，有研究人員表示目前的設備還存在很大的挑戰，仍有不盡人意之處，他們希望能夠建設更大的激光引力波探測器，便於捕捉來自可見宇宙邊緣的引力波。來自麻省理工學院的物理學家馬修·埃文斯（Matthew Evans）告訴與會人員：「當前探測器是非常靈敏的，但同時它們也只是達到了探測引力波的最低靈敏度要求而已。」

目前已經發現雙黑洞併合引力波事件（來源：LIGO/Caltech/Sonoma State/Aurore Simonnet）

自從LIGO完成升級到現在，已經成功地測到了6次引力波事件，其中還包括一次雙中子星併合產生的引力波。然而LIGO的「表妹」，位於義大利長為3千米的探測器Virgo（室女座）能力卻非常有限。天文學家認為，3-4千米的激光探測臂長度可能剛好滿足最低要求，所以它們只能探測特定的目標類型，探測的範圍可能也有限。於是，一幫物理學家開始考慮，是否可以擴建LIGO和Virgo，讓它們獲得更高的經度，或者索性建一座大規模的探測器，名曰「愛因斯坦望遠鏡」。他們估計，這樣的探測器可以觀測到每一次雙星併合事件，包括雙恆星、雙黑洞、雙中子星。照這樣算，測到引力波的頻率或許可以從幾個月一次激增至一年百萬次！

路易斯安那州利文斯頓境內的激光干涉引力波觀測站（ALIGO）（來源：LIGO/NSF）

引力波探測器真的越大越好嗎？我們看到，不管是LIGO還是Virgo，都是L形探測臂。表面上LIGO的臂長是4千米，事實上激光在真空管內反射了400次，光路總長度等效於1600千米！引力波經過探測器時會使兩條垂直的探測臂長度變得不同，從而影響激光干涉條紋。不過，儘管做出了這樣的努力，引力波帶來的變化微乎其微，測量本身就存在準確性的問題。如果想要放大信號，讓探測器變得更大恐怕是唯一的途徑。

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引力波激光干涉儀的工作原理（來源：網路）

但是，建造那麼大的探測器是非常瘋狂的想法，也會面臨諸多困難。首先，那麼長的距離，光從這一端走到另一端需要很長時間，如果不做改進，實驗的模糊性增加了，結果反而會不精確。其次，現在的LIGO和Virgo體量都不算太大，地球的曲率不是個大問題，然而如果長度擴大10倍的話這就是一個不容忽視的因素了，如果要確保探測器管道的兩段都在地面水平位置，那麼管道的中心點必須在地下30米。第三，這樣的話建設成本也會增加不少。第四，有沒有那麼大的空地給你建設，至少在歐洲很困難。

Virgo鳥瞰圖（來源：LSC，版權：The Virgo collaboration/CCO 1.0）

雖然L形探測臂是最理想的，但是太佔地方，如果把它改成三角形就會節省不少空間，而且還能幾乎同樣好的工作。這就是「愛因斯坦望遠鏡」的思路。建設這樣一座觀測站預計要花費15-20年的時間，而且並不是所有所需技術都已成熟，因此科學家們認為現在必須開始著手準備了。據稱，現在已經有8個工作組開始研究這個項目的可行性，預計2018年底提交一份報告。

三角形布局的「愛因斯坦望遠鏡」效果圖（來源：CERN）

如果這不是一個愚蠢的想法，那麼它一定是一個頗有遠見的宏偉計劃。不過，科學家並不需要等待15-20年而無所事事，目前，還有神岡引力波探測器和位於印度的LIGO探測器正在建設，研究人員或許有足夠的機會獲取更多的案例，從更多的角度了解引力波。引力波天文學的前景非常廣闊。

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