下一代引力波"捕手":有望揭示更多宇宙秘密

　　今日視點(diǎn)

　　近日，歐洲科學(xué)家將擬議的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡（ET）納入“歐洲研究基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略論壇”（ESFRI）路線圖內(nèi)。ESFRI在歐洲研究基礎(chǔ)設(shè)施的決策中起關(guān)鍵作用，ET的設(shè)計目前已經(jīng)得到歐盟委員會及歐洲各地約40個研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的財團(tuán)支持。

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)9月15日報道，計劃中的ET是地基引力波探測器，它將能夠發(fā)現(xiàn)更多黑洞和中子星并和事件，從而測試愛因斯坦的廣義相對論并使引力波天文學(xué)變得更加精準(zhǔn)。

　　除ET外，美國的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）正在升級；日本和印度的引力波探測器的建造工作也在如火如荼地進(jìn)行之中。

　　ET光學(xué)聯(lián)席主席、英國思克萊德大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任斯圖爾特·里德教授說：“未來的引力波天文臺，如ET等，有望幫助研究人員發(fā)現(xiàn)更多黑洞和中子星并和現(xiàn)象，使我們能更好地描繪宇宙如何膨脹，并觀察到全新的事件�！�

　　引力波領(lǐng)域仍有大量未解之謎

　　中國國家天文臺研究員張承民對科技日報記者介紹說：“引力波是一種‘時空漣漪’，類似石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞合并過程中將產(chǎn)生引力波�！�

　　“引力波像其他的波一樣，攜帶著能量和信息。電磁波（宇宙微波背景輻射）只能讓我們看到大爆炸38萬年之后的景象，而引力波能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初的瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論是否正確，是人類認(rèn)識宇宙的全新窗口”，張承民進(jìn)一步解釋道。

　　2015年9月，LIGO探測到了由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號，這是人類歷史上首次直接探測到引力波，這一發(fā)現(xiàn)印證了物理學(xué)大師愛因斯坦100年前的預(yù)言。

　　2020年9月2日，LIGO和歐洲“處女座（Virgo）”引力波探測器攜手宣布，探測到兩個質(zhì)量分別為85倍和65倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞并和產(chǎn)生的引力波，這兩個黑洞并和形成了一個142倍太陽質(zhì)量的黑洞，碰撞釋放出的8倍太陽質(zhì)量的能量以引力波形式彌散于宇宙中，被上述兩大引力波“捕手”捕獲。

　　新發(fā)現(xiàn)的142倍太陽質(zhì)量的黑洞是迄今發(fā)現(xiàn)的第一個“中等質(zhì)量”黑洞，此前科學(xué)家從未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量是太陽100到1000倍的黑洞。

　　該研究報告共同作者、意大利帕多瓦大學(xué)天體物理學(xué)家、“處女座”團(tuán)隊成員米夏埃拉說：“這是處于該質(zhì)量范圍的黑洞的第一項證據(jù)，可能帶來黑洞天體物理學(xué)的范式轉(zhuǎn)變。”

　　張承民表示：“此次探測也證明宇宙中仍然存在大量我們以前未知的”。

　　多款下一代探測器將上線

　　為進(jìn)一步揭示宇宙之謎，科學(xué)家們需要新一代引力波望遠(yuǎn)鏡。

　　張承民說：“ET將使科學(xué)家能探測到整個宇宙中兩個中等質(zhì)量黑洞的合并，并有助了解其演化歷程”。

　　據(jù)張承民介紹，ET地下探測器將由6個V形干涉儀組成，它們被排列成等邊三角形，每邊長度為10公里，該望遠(yuǎn)鏡將使用激光來測量大規(guī)模和劇烈的天體物理事件對時空的拉伸和擠壓。

　　物理學(xué)家組織網(wǎng)在報道中指出，ET有望于本世紀(jì)30年代中期上崗，科學(xué)家們目前正在對兩個建設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行評估，預(yù)計將在未來五年內(nèi)確定建設(shè)地點(diǎn)。

　　里德說：“ET獨(dú)特的三角形形狀將通過天體物理學(xué)的信號提供更多信息；更好地定位引力波在天空中的來源，并通過在強(qiáng)引力場中測試愛因斯坦的引力理論來推動科學(xué)家對物質(zhì)和引力行為的理解”。

　　此外，其他引力波探測器的升級和建造計劃也在進(jìn)行中。

　　據(jù)英國《自然》雜志2019年2月中旬報道，英美兩國2月14日宣布，從2023年開始，LIGO將進(jìn)行2015年以來最重大的一次技術(shù)升級——所謂的“先進(jìn)LIGO+”（ALIGO+）項目。

　　格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家肯·斯特恩表示，如果一切按計劃進(jìn)行，LIGO將能夠發(fā)現(xiàn)距離地球325百萬秒差距（約10億光年）范圍內(nèi)發(fā)生的中子星合并事件，相比ALIGO +升級前的設(shè)計探測精度（173百萬秒差距），這次升級幾乎將LIGO的探測精度提高了一倍。諾貝爾獎得主、LIGO前主任巴里·巴里什則表示，此次升級不僅會提高探測頻率，同時也將提高觀測質(zhì)量。“例如，降低噪音將使研究人員能了解黑洞在合并之前是如何自旋的，這將為研究黑洞的歷史提供線索”。

　　張承民補(bǔ)充說：“下一代引力波探測器還包括歐洲的激光干涉儀空間天線（LISA）計劃。LISA由三個衛(wèi)星激光干涉探測器組成，旨在探測超大質(zhì)量黑洞并合的低頻引力波信號。LISA已在2015年發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)衛(wèi)星，預(yù)計2034年發(fā)射3顆衛(wèi)星組成邊長為百萬公里量級的等邊三角形星座”。

　　日本“神岡引力波探測器”（KAGRA）由諾貝爾獎得主梶田隆章坐鎮(zhèn)指揮，于2010年正式啟動，建設(shè)成本約150億日元，由兩條3公里長的激光干涉臂組成。我國的清華大學(xué)、北京師范大學(xué)等也是KAGRA的合作伙伴。無獨(dú)有偶，LIGO實驗室和印度引力波物理學(xué)界此前達(dá)成協(xié)議，計劃把LIGO的一部分實驗設(shè)備運(yùn)往印度，在印度建造“LIGO-印度（LIGO-India）”引力波觀測站，其有望2025年后投入運(yùn)行。

　　中國引力波探測如火如荼

　　我國的引力波探測活動也進(jìn)行得如火如荼。

　　張承民說：“我國正在進(jìn)行的引力波探測計劃有三個：兩個空間和一個地面項目，分別是中科院推動的‘太極計劃’和中山大學(xué)主導(dǎo)的‘天琴計劃’，以及中科院高能所牽頭的‘阿里計劃’”。

　　張承民進(jìn)一步介紹道，“太極”和“天琴”類似于LISA計劃。“太極”和“天琴”的干涉臂分別是幾十萬公里和17萬公里，擬探測的引力波頻率介于LIGO和LISA之間。“太極”和“天琴”可以探測雙白矮星并合以及幾萬倍太陽質(zhì)量的大黑洞并合，這擴(kuò)展了LISA的低頻引力波探測頻段；而LIGO探測到的是高頻引力波，由恒星級質(zhì)量黑洞和中子星彼此并合而產(chǎn)生。

　　“太極一號”和“天琴一號”衛(wèi)星分別于2019年8月31日和2019年12月20日成功發(fā)射，正在進(jìn)行前期技術(shù)驗證，試驗和發(fā)展空間引力波探測器的兩個精密技術(shù)，即空間慣性基準(zhǔn)和激光干涉測距。

　　我國的地面引力波項目“阿里計劃”與美國物理學(xué)家合作進(jìn)行，2016年正式啟動，在海拔5100米的西藏阿里地區(qū)建設(shè)，旨在進(jìn)行宇宙原初引力波探測，目前進(jìn)展順利，預(yù)計2022年后投入先期試驗觀測。

　　有望揭示更多宇宙奧秘

　　張承民說：“在可預(yù)見的未來，這么多引力波探測器組團(tuán)上線，將幫助科學(xué)家們進(jìn)一步揭示宇宙的奧秘”。

　　“ET的精度將高于LIGO；而LISA將開啟認(rèn)識宇宙超級大質(zhì)量黑洞新時代”，張承民強(qiáng)調(diào)說。

　　對此，張承民進(jìn)一步解釋道，首先，我們可以期待獲得更多黑洞-黑洞并和、黑洞-中子星并和、中子星-中子星并和事件，極大豐富人類關(guān)于宇宙的認(rèn)知視野；其次，探測精度的提升可以針對黑洞自旋進(jìn)行測量，這擴(kuò)展了我們對黑洞的更新理解；再次，從幾百到幾百萬倍太陽質(zhì)量的中等黑洞和超級大黑洞也是預(yù)想目標(biāo)，這些測量可能刷新人類對全新的宇宙家園的認(rèn)識；最后，新的大科學(xué)探測裝置投入也可能獲得完全預(yù)料之外的新發(fā)現(xiàn)。

　　張承民指出：“畢竟人類關(guān)于宇宙的定量探索還處于摸索階段，面對浩瀚而漫長的138億年宇宙，人類不過幾百萬年，而科學(xué)探索僅僅幾百年。我們常常無知地以為人類是宇宙最偉大的生命，然而事實正如愛因斯坦所言：宇宙像一個無限延伸的球，我們走的越遠(yuǎn)，遇到的問題越多”。

　　蓬勃發(fā)展的引力波探測裝置，即將給人們呈現(xiàn)出美妙的宇宙交響樂章，讓我們管窺宇宙的浩渺和神秘。