[科普中国]-从脉冲星到LIGO：引力波的60年探测史

在引力波的探测上，最早的关键性突破来自于英国物理学家菲利克斯·皮拉尼（Felix Pirani）于1955年所做的测试。皮拉尼证明，可以通过测量至少两个测试质量（质量非常小的物体，它们自身的引力可以忽略不计）之间的距离变化来探测引力波。事实上，尽管用孤立的物体无法探测到引力波，但还是可以通过测量两个测试质量之间空间的压缩和膨胀来发现它的踪迹。美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）受此启发，开始进行实验直接探测引力波。虽然他用自己在20世纪60年代设计的“韦伯棒”（Weber bar）什么也没有探测到，但是他的这一发明启迪了许多物理学家。用棒状探测器来探测引力波的概念后来被广为接受并加以改良。引力辐射原则上是可以探测到的。那么如何进行定量测量呢？想要设计探测器的话，首先得确定引力波源辐射功率的量级、引力波经过时导致的空间长度变化的量级以及信号频率的量级。根据爱因斯坦最初的研究，科学家可以估算出人体在摆手时发出的引力波功率量级是10–50瓦特，这和大多数恒星系统发出的引力波功率差不多。这些值已得到了更精确的计算方法的证实，引力波似乎成了一种无法观测的思想玩物。随着天文学家在1962年发现了类星体，并在1967年发现了脉冲星，探测引力波的希望被再次点燃。这些天体属于中子星（由非常致密的原子核物质构成的天体）或者黑洞（光也无法逃逸的时空陷阱）。它们非常致密（相比于它们的质量而言，它们的体积非常小），在描述其引力性质时必须考虑广义相对论。物理学家已经证明，如果一个致密天体高速（接近光速）运动，并且这种运动是连贯的且不太对称的话，这个天体就能成为良好的引力波源。虽然无法通过望远镜观测，但一个双星系统中的两个黑洞并合是能量最高的天体物理现象之一。两个具有太阳质量的黑洞并合发出的引力波功率量级大概是1046瓦特，这已经可以媲美太阳发光的功率（1026瓦特）。但是，所有的大功率引力波源和我们的距离都十分遥远，在地球上进行的探测实验只能收集到非常微弱的信号。在这种信号的作用下，测试质量间距的相对变化最高也只有10-20，相当于太阳和地球之间的距离改变了一个原子的直径。对脉冲双星PSR B1913+16的研究间接地证明了引力波的存在。美国人约瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）和拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）于1974年发现了PSR B1913+16（他们也因此于1993年获得了诺贝尔物理学奖）。这个双星系统公转周期的逐步减少与能量的消失有关，而消失的能量转化成了引力波。这个效应其实类似于拉普拉斯为了解释月球在轨道上的加速而提出的理论。法国物理学家蒂博·达穆尔（Thibault Damour）和娜塔莉德鲁艾尔（Nathalie Deruelle）等人的计算证明，广义相对论和脉冲双星观测结果是一致的。之后就是直接探测引力波了，这就是位于意大利比萨南部的VIRGO探测器以及分别位于美国两个地点的激光干涉引力波天文台（LIGO）承担的重任。这些仪器能够探测出相当于原子直径比上太阳系直径的距离相对变化。在21世纪初的首阶段运行中，这些探测器未能探测到引力波，但是此后研究者对它们的灵敏度进行了一次大升级。先进LIGO（Advanced LIGO）已投入运行。VIRGO探测器的高级版本也将在2016年投入使用。这些探测器利用的是干涉测量方法。测试质量是悬挂于探测器的两个互相垂直的长臂末端的反射镜。探测器两臂内穿梭着大功率的激光束（功率可达200瓦特）。两臂长度的微弱变化会影响两束激光相遇处的光强。两个反射镜相距越远，由引力波造成的臂长变化量就会越大，也更“容易”被观测到。法意合建的VIRGO探测器的臂长达3千米。红外激光器发出的激光束被半透明反光镜（分光镜）一分为二。每束激光会进入一个长达3千米的光腔，然后照射到反射镜上（即测试质量），接着反射镜会把激光反射回分光镜那里。在返回分光镜前，激光在光腔中已被来回反射了许多次。这多次来回会显著增加探测器的等效臂长。由于光的波动性，分光镜上两束激光互相叠加发生干涉。实验开始前，科学家调整仪器，让两束激光发生相消干涉——一束光的波峰正对应另一束光的波谷，反之亦然。通过这种方式两个光波互相抵消，而传感器（一个光电二极管）不会记录下任何信号。当引力波经过时，每束激光的光程会发生微小的变化。这将会改变两束激光波峰和波谷的相对位置，因此两者的叠加并不会发生相消干涉，而传感器则会记录下一个信号。研究人员可据此推导出臂长的变化并确定是否曾有引力波经过。经过升级改造的干涉仪可探测的最小臂长变化量的量级是10-20米，差不多是质子大小的十万分之一。但是，除了引力波以外有许多其他因素会影响反射镜之间的距离，因此，物理学家需要从“噪音”中分离出由引力波引发的信号才行。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）转载请注明来自“科普中国”。