物理学家正在筹建新天文台，开发新颖的实验和技术，以发现超越现有探测手段的时空涟漪。

撰文 | Davide Castelvecchi

翻译 | 施普林格·自然上海办公室

两个黑洞绕着对方运行时会产生频率越来越高的引力波。新的仪器和技术可以连续数周甚至数年观察这种合并。来源：NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

2015年9月，一次仅持续五分之一秒的振动载入物理学史册。这是人类首次直接探测到引力波——一种以光速在宇宙中移动的时空扰动。

天文学家们表示，这就像获得了一种新的感知方式——在2015年之前，他们只能“看到”宇宙事件，而现在能“聆听”它们了。从那时起，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）在美国路易斯安那州和华盛顿州的两个基地，以及它在意大利比萨附近的姊妹室女座天文台（Virgo），记录引力波的通过几乎成了日常工作。

引力波的探测为探索自然规律和宇宙历史提供了新的途径，包括关于黑洞及其起源的大型恒星的生命故事的线索。瑞士日内瓦大学的理论物理学家Chiara Caprini说，对许多物理学家而言，引力波科学的诞生是过去十年中难得的亮点。其他曾被认为前景广阔的探索领域大都令人失望：暗物质搜索一直无功而返；瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机除了发现希格斯玻色子之外一无所获；甚至一些有希望的新物理学线索似乎也在退潮。“在这种相当平淡的现状中，引力波的出现让我们眼前一亮。”Caprini说。

这个难得的亮点看起来还会变得更加耀眼。

截至目前，发现的100多个引力波事件只是物理学家认为存在的引力波事件的一小部分。LIGO和Virgo的观测窗口相当狭窄，主要限于100-1000赫兹的频率范围。当一对质量巨大的恒星或黑洞在数百万年的时间里缓慢地相互旋绕时，它们会产生频率缓慢增加的引力波，直到天体碰撞前的最后一刻，这些波才会进入到这个可检测的范围。但这只是预计会产生引力波的多种现象之一。

LIGO和Virgo都是激光干涉仪，通过探测沿相互垂直的两臂发射的激光在传播时间上的微小差异来工作。这些长达几公里的双臂会因为引力波通过，而以微小的幅度膨胀和收缩。研究人员目前正在打造下一代LIGO型天文台，既有地球上的设施，也有太空中的激光干涉仪太空天线，有些学者甚至提议在月球上建造[1]。其中一些探测器可以敏感探测到低至1赫兹频率的引力波。

物理学家还在探索其他完全不同的技术来探测引力波。这些方法包括观察脉冲星和测量量子波动，目的是捕捉到频率在兆赫兹到纳赫兹范围内的更多种类的引力波（见“打开引力波之窗”）。
 

通过扩大观测窗口，天文学家应该能够观察到黑洞相互环绕数天、数周甚至数年，而不仅仅是捕捉到碰撞前的最后几秒钟。而且，他们还能发现完全不同的宇宙现象——包括超大型黑洞，甚至宇宙本身的开端——所产生的波。他们表示，所有这一切都将揭开宇宙中的许多未解之谜。

脉冲星计时阵列：捕捉持续十年的波

去年，一种可行的干涉仪替代方案入局赛场。

自21世纪初以来，射电天文学家一直试图将整个银河系作为引力波探测器。其诀窍在于监测数十颗称为脉冲星的中子星。这些脉冲星每秒自旋数百次，同时发射出射频波束，每次旋转都会产生看似光脉冲的现象。

席卷银河系的引力波会改变地球与每颗脉冲星之间的距离，从而使每年探测到的脉冲星频率出现异常。对一组或一系列脉冲星（称为脉冲星计时阵列，PTA）的观测应该能够探测到由纳赫兹频率的引力波所导致的变化，该频率引力波可由超大质量黑洞对产生。这种波的连续波峰需要数十年才会通过一个特定的观察点，这意味着需要数十年的观测才能发现它们。

2023年，脉冲星定时阵列（PTA）技术开始取得成果。来自北美、欧洲、澳大利亚和中国的四个独立的研究团队揭示了一个令人感到兴奋的迹象，它符合“随机引力波背景（stochastic background）”的预期模式。这些使地球产生摇摆的背景噪音可能源于超大质量双黑洞，美国耶鲁大学的天体物理学家Chiara Mingarelli说。

这些团队尚未使用“发现”一词，因为每个团队公布的证据都还不够确凿。除中国团队外的其他三个小组目前正在汇集数据进行联合分析，希望能达到“发现”的标准。美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文台的天体物理学家、北美合作团队的资深成员Scott Ransom表示，这需要细致的工作，因为每个团队处理原始数据的方式略有不同，可能还需要至少一年的时间才能发表论文。

“目前的数据中，我们几乎可以肯定存在超大质量双黑洞双星的迹象。”Ransom说。每多观测一年，他们就会更接近从嘈杂声中分辨出单个黑洞对，他补充道。“情况会变得越来越好。”

微波望远镜：探测来自宇宙大爆炸的余波

在LIGO于2015年检测到引力波的一年前，一队使用南极望远镜BICEP2的宇宙学家声称他们间接地发现了引力波。他们的观测对象并非引力波本身，而是有时被描述为大爆炸余晖的宇宙微波背景辐射（CMB）。

尽管后来发现BICEP2的结果尚不成熟，但宇宙学家们现在正在加倍投注这一想法。一组比BICEP2更强大的望远镜阵列，称为西蒙斯天文台，正在智利北部阿塔卡马沙漠的山顶上建设。一些研究人员对一个更强大的阵列抱有希望，即最初提议在智利和南极架设12台望远镜的CMB-S4——不过今年5月，由于美国南极基地年久失修，该项目被搁置。

宇宙学家在微波背景辐射中寻找的是称为“B模”的、像漩涡一样的特殊偏振模式（微波在空间中传播时辐射电场摆动的优先方向），应为引力波留下的独特印记。理论认为，这些波应该是由暴胀产生的，宇宙大爆炸时发生指数级急剧膨胀[2]。暴账可以解释宇宙的许多惊人特性，如平坦度和质量分布。暴胀产生的引力波一开始的频率很高，但现在已非常低，约为10-14赫兹。

尽管暴胀是公认的宇宙学理论基石，但尚未得到证明。B模将会是个确凿证据，并且还会揭示所涉及的能量尺度，从而迈出理解暴胀动力的第一步。

问题在于，无人知晓此能量尺度是否大到能留下明显痕迹。“暴胀预测了B模，但我们不知道它是否大到能被检测到。”约翰霍普金斯大学的理论天体物理学家Marc Kamionkowski说。但如果主流模型是正确的，西蒙斯天文台或CMB-S4最终应该会发现它，他说。

原子干涉测量：缩小差距

尽管这些项目将引力波科学推向了更低的频率，但在1赫兹以下仍有个重要的缺口。

探测到这样的频率可能揭示比LIGO所观测到的黑洞合并更大的黑洞。LIGO探测来自坍缩恒星的引力波，这些恒星的质量最多只有几十个太阳质量。“这是个尚未探索之地，但有可能存在大量黑洞。”Caprini说。

Jason Hogan （左）和 Mark Kasevich 正在研究原子干涉仪，这种设备可以揭示比当前激光干涉仪观测到的黑洞质量大得多的黑洞合并。来源：L.A. Cicero和美国斯坦福大学

英国伦敦帝国理工学院的物理学家Oliver Buchmüller认为，一种新兴技术可能会拯救我们。他说：“原子干涉仪填补了目前无法用其他技术探索的空白。”原子干涉仪是一条垂直的高真空管道，在管道中原子被释放并受到重力作用下落。原子下落的过程中，物理学家会用激光照射原子，使它们在激发态和弛豫态之间切换，这与原子钟原理相同。“我们正在努力将这种原子钟技术推到极致。”美国斯坦福大学的物理学家Jason Hogan说。

为了探测引力波，物理学家计划在同一垂直管道内释放两组或更多组高度不同的原子，并测量激光脉冲从一组原子传播到下一组原子所需的时间，Hogan说。引力波的传播会导致光在原子间传播的时间略微减少或略微增加，此变化小于千亿分之一。

尽管美国斯坦福大学的开创性实验已开发出10米落差的原子干涉仪，但探测引力波需要至少高达1千米的设备，这些设备可以安装在矿井中，甚至是太空中。作为第一步，全球多个研究小组正计划建造100米高的原子干涉仪作为试验台。其中一个名为MAGIS-100的设施已经开工建设，位于美国伊利诺伊州芝加哥郊外的费米国家加速器实验室一个现有竖井中，计划于2027年完工。

桌面探测器：提高频率

其他研究人员正在探索使用小得多（也便宜）的探测器来探测引力波，包括一些小到足以放在桌面上的探测器。这些仪器旨在探测极高频率的引力波。已知现象可能不会产生这类波，但一些推测的理论确实预测了它们的存在。

位于伊利诺伊州埃文斯顿的美国西北大学研制的悬浮式传感器探测器（LSD）看起来就像一个玩具LIGO：它在相距仅1米的镜子对之间反弹激光。LSD是一种新型仪器的原型，旨在利用共振感应引力波：这与荡秋千的孩子在合适的时机施加微小推力，使其越荡越高的原理相同[3]。

在LSD每一臂内的真空中，激光光束悬浮着一个仅有微米宽的粒子。与干涉仪一样，引力波经过时会交替拉长和压缩每个臂的长度。如果引力波的频率与设备的频率发生共振，激光就会对粒子产生许多微小的冲击。领导该项目的美国西北大学物理学家Andrew Geraci表示，LSD能以飞米级（10−15米）的精度跟踪粒子的运动。

LSD的设计旨在对频率约100千赫的引力波保持敏感。如果研究小组能控制住实验噪音——并且这类高频率的引力波确实存在的话——这个原型机可能已经有机会探测到一些引力波了。“即使使用1米长的仪器，我们也有可能测量到该频段的真实信号，这取决于你有多乐观。”Geraci说。未来的仪器可将臂长扩大到100米，从而提高其灵敏度，他补充说。

英国南安普顿大学的理论物理学家Ivette Fuentes有一个制造更小型的共振探测器的想法。她计划利用处于一种奇异物质状态中的声波，该物质状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），在BEC中，原子云被保持在比绝对零度仅高几百万分之一度的温度。如果引力波以与声波共振的频率通过，就能被探测到。由于寻找该信号的过程会破坏BEC这一奇异物态，探测器每秒钟都需要释放大量新的原子。为了成功探测，这个过程可能需要重复数月，Fuentes说。

基于 BEC 的探测器原则上可以将引力波的搜索范围扩大到1兆赫或更高——前提是它们确实存在。Fuentes说，她的方案需要让BEC 技术略微超越当前的技术水平。“这是一个非常大胆的想法，”她说。物理学家认为，高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右发生的奇异物理现象。“我们可以用它来研究宇宙在极高能量下的状态。”Caprini说。

量子晶体：仅需一秒

探测引力波的最后一个更为激进的提议涉及将物体同时放置在两个地方。

英国伦敦大学学院的物理学家Sougato Bose提出了一种装置，将一个微米大小的钻石晶体置于两种量子态的叠加状态中。在他的方案中，晶体的两个“角色”将被推开1米之远，然后再次靠拢，这是一个极其精细的过程，有人将其比作童谣人物蛋先生（译注：英文童谣Humpty Dumpty，讲述蛋摔破拼不回去了）摔倒后将其碎片重新拼凑起来。引力波的经过会使一个“角色”在分开时比另一个“角色”走得更远，使得它们在重聚时失去同步——这可测量。整个过程大约需要一秒钟的时间，这将使该装置对大约1赫兹的引力波较为敏感。

这个想法相当雄心勃勃：迄今为止，这种量子把戏只在分子大小的物体上得以实现，尚未有人测试过量子怪异是否能被推到如此极端。“将蛋先生重新拼回去的技术从未在晶体上得到证实。”Bose说。

但如果这项技术能够得到完善，那么像这样的桌面型实验可能会使引力波探测不再局限于少数大型实验室。这些技术结合在一起，将为我们探索宇宙打开全新的窗口。“前景非常乐观。”Caprini说。

参考文献

[1] Branchesi, M. et al. Space Sci. Rev. 219, 67 (2023).

[2] Kamionkowski, M., Kosowsky, A. & Stebbins, A. Phys. Rev. Lett. 78, 2058 (1997).

[3] Arvanitaki, A. & Geraci, A. A. Phys. Rev. Lett. 110, 071105 (2013).

本文经授权转载自微信公众号“自然系列”。原文以Five new ways to catch gravitational waves — and the secrets they’ll reveal标题发表在2024年6月27日《自然》的新闻特写版块上