[科普中國]-VIRGO、LIGO與eLISA：現(xiàn)在與未來如何探測引力波

干涉儀工作時(shí)既互相獨(dú)立，又齊心協(xié)力，因此科學(xué)家希望綜合多個(gè)干涉儀的信息，利用三角測量法來確定引力波源在天空中的具體位置。三角測量法的原理就好比用雙耳來聽聲音。用單耳聽是無法確定聲源位置的。聲音到達(dá)兩只耳朵的時(shí)間存在先后差異，通過這個(gè)時(shí)間延遲就可以推算出聲源的方位。與此類似，一臺干涉儀接收到的引力波信號可以來自任何地方，在地球表面至少需要3臺互相分離的引力波探測器才能確定波源的位置。VIRGO與LIGO的兩臺探測器合作，組成了這種引力波探測網(wǎng)，并從2007年開始運(yùn)行。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究者分享這些探測器的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行整合分析。這種數(shù)據(jù)共享還有一種好處：如果真的出現(xiàn)了引力波信號，那么所有探測器都應(yīng)該探測到它，所以數(shù)據(jù)分享是個(gè)確認(rèn)信號的好方法。對引力波源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位還能讓在各個(gè)電磁波段工作的天文望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星也同時(shí)指向波源，觀測與引力波相關(guān)的天文現(xiàn)象（如伽馬射線等）。2007年到2011年間，VIRGO和LIGO搜索了能夠讓臂長變化10-22米的引力波。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。探測器的靈敏度會對最大可探測距離造成直接影響（探測器只能探測到這個(gè)距離內(nèi)的引力波源）。這個(gè)距離取決于波源的種類、特征、引力波的振幅、持續(xù)時(shí)間以及頻率范圍。打個(gè)比方，以VIRGO的靈敏度要探測到兩個(gè)1.4倍太陽質(zhì)量的中子星碰撞時(shí)發(fā)出的引力波，這兩個(gè)中子星到地球的距離要在4 000萬光年以內(nèi)。而由脈沖星（高速自轉(zhuǎn)的中子星）發(fā)出的引力波信號在幾萬光年外就無法被探測到了。知道了最大的測量距離后，還要考慮到引力波源的出現(xiàn)頻率。一些引力波源非常罕見，比如相互碰撞的中子星要比單個(gè)的中子星少得多。如果能夠提高引力波探測器的靈敏度，那么探測到引力波的可能性也會上升。換句話說，環(huán)繞地球的可探測宇宙范圍將被擴(kuò)大。從2011年底起，VIRGO經(jīng)歷了一些重大改造，變成了“先進(jìn)VIRGO”（Advanced Virgo），將于今年開始運(yùn)行。“先進(jìn)VIRGO”的反射鏡變得更重，激光器的功率擴(kuò)大了10倍，光學(xué)設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整，分析程序也得到了優(yōu)化。到2020年，先進(jìn)VIRGO能夠探測的距離將是VIRGO的10倍，而它能探測的宇宙范圍將擴(kuò)大1 000倍。我們希望利用它在每年探測到更多的中子星碰撞。與此同時(shí)，LIGO也進(jìn)行了升級改造，而且日本和印度也在建造新的引力波探測器，中國也在籌備引力波探測計(jì)劃。在遙遠(yuǎn)的未來，人類還有更加雄心勃勃的引力波探測計(jì)劃，如建造在地下的臂長為30千米的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡（Einstein Telescope），或是位于太空的，臂長為500萬千米的演化空間激光干涉天線（eLISA），我們對來自宇宙的天籟將變得更加熟稔。作者：法國薩瓦大學(xué)粒子物理實(shí)驗(yàn)室教授、《環(huán)球科學(xué)》雜志特約專家達(dá)米爾布斯庫里克（Damir Buskulic），法國圖爾大學(xué)數(shù)學(xué)及理論物理實(shí)驗(yàn)室副教授、《環(huán)球科學(xué)》雜志特約專家路易克維蘭（Loc Villain）轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”。