VIRGO、LIGO与eLISA：现在与未来如何探测引力波

　　干涉仪工作时既互相独立，又齐心协力，因此科学家希望综合多个干涉仪的信息，利用三角测量法来确定引 力波源在天空中的具体位置。三角测量法的原理就好比用双耳来听声音。用单耳听是无法确定声源位置的。声音到达两只耳朵的时间存在先后差异，通过这个时间延 迟就可以推算出声源的方位。与此类似，一台干涉仪接收到的引力波信号可以来自任何地方，在地球表面至少需要3台互相分离的引力波探测器才能确定波源的位置。

　　VIRGO与LIGO的两台探测器合作，组成了这种引力波探测网，并从2007年开始运 行。两个团队的研究者分享这些探测器的数据，并对其进行整合分析。这种数据共享还有一种好处：如果真的出现了引力波信号，那么所有探测器都应该探测到它，所以数据分享是个确认信号的好方法。

　　对引力波源进行实时定位还能让在各个电磁波段工作的天文望远镜和卫星也同时指向波源，观测与引力波相关的天文现象（如伽马射线等）。

　　2007年到2011年间，VIRGO和LIGO搜索了能够让臂长变化10-22米的引力波。但这还远远不够。探测器的灵敏度会对最大可探测距离造成直接影响（探测器只能探测到这个距离内的引力波源）。这个距离取决于波源的种类、特征、引力波的振幅、持续时间以及频率范围。打个比方，以VIRGO的灵敏度要探测到 两个1.4倍太阳质量的中子星碰撞时发出的引力波，这两个中子星到地球的距离要在4000万光年以内。而由脉冲星（高速自转的中子星）发出的引力波信号在几万光年外就无法被探测到了。

　　知道了最大的测量距离后，还要考虑到引力波源的出现频率。一些引力波源非常罕见，比如相互碰撞的中子星要比单个的中子星少得多。如果能够提高引力波探测器的灵敏度，那么探测到引力波的可能性也会上升。换句话说，环绕地球的可探测宇宙范围将被扩大。

　　从 2011年底起，VIRGO经历了一些重大改造，变成了“先进VIRGO”（Advanced Virgo），将于今年开始运行。“先进VIRGO”的反射镜变得更重，激光器的功率扩大了10倍，光学设置进行了调整，分析程序也得到了优化。到 2020年，先进VIRGO能够探测的距离将是VIRGO的10倍，而它能探测的宇宙范围将扩大1000倍。我们希望利用它在每年探测到更多的中子星碰撞。与此同时，LIGO也进行了升级改造，而且日本和印度也在建造新的引力波探测器，中国也在筹备引力波探测计划。

　　在遥远的未来，人类还有更加雄心勃勃的引力波探测计划，如建造在地下的臂长为30千米的爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope），或是位于太空的，臂长为500万千米的演化空间激光干涉天线（eLISA），我们对来自宇宙的天籁将变得更加熟稔。

　　作者：法国萨瓦大学粒子物理实验室教授、《环球科学》杂志特约专家达米尔布斯库里克（Damir Buskulic），法国图尔大学数学及理论物理实验室副教授、《环球科学》杂志特约专家路易克维兰（Loc Villain）