激光干涉仪探测引力波

相互交谈或在静止的池塘中投掷石块都会产生波浪，影响震源周围的质量，形成波峰和波谷。与声波或水波类似，引力波是时空连续体中的起伏，以光速传播。这些振荡有周期和振幅，就像自然界中的任何其他波一样。爱因斯坦早在一百多年前就提出了引力波存在的假设，但直到最近我们才探测到引力波。激光干涉仪是一项拥有百年历史的光学技术，它的灵敏度足以捕捉到这些从遥远的地方向我们传播的波。

在数百万到数十亿光年之外，可能会有一颗旋转的中子星发生脉冲。或者是两颗中子星围绕着对方旋转，越来越近，并通过辐射引力波的过程损失能量。无论来源如何，这些由自然现象产生的强大引力波都将震撼整个宇宙。在这篇博文中，我们将探讨围绕引力波的一些有趣问题：

什么是引力波？
激光干涉仪如何探测引力波？
激光干涉仪的测量结果有多可靠？
激光干涉仪的新发展
我们能否利用激光干涉仪通过引力波探测地震？
1. 什么是引力波？
引力波是时空连续性的扭曲，具有移动质量和以光速传播的能力。与所有其他波一样，这些起伏也有波峰和波谷，其行为与电磁波等其他波类似。当大质量物体穿越时空时，它们会扭曲时空，产生起伏，这与磁铁带电粒子移动时产生电磁波的方式几乎相同。这一概念的依据是，引力只是大质量物体周围时空连续体的扭曲。

由于宇宙中充斥着超重物体，它们在运动时总会产生引力波。在恒星合并或碰撞等剧烈的宇宙事件中会产生最强的引力波。虽然一个多世纪前就有人推测引力波的存在，但近 60 年后的 1974 年才首次发现引力波的证据。波多黎各的天文学家发现了一对旋转的脉冲星，它们正在逐渐接近对方。如果它们真的像理论预言的那样发射引力波，那么它们相互接近的速度与引力能量耗散的速度是一致的。虽然不能直接证明或探测到引力波，但这是引力波存在的第一个推断证据。

引力波由两颗旋转的中子星产生。图片来源：Space.com。

2. 激光干涉仪如何探测引力波？
原来，这些波可以通过极其精确的仪器探测到。2015年9月14日，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的一个研究小组探测到了第一个引力波。这对全世界的研究人员来说都是一个激动人心的发现，因为在此之前，引力波只是一种理论上的可能性。他们的发现令人惊叹：在数十亿光年之外，有两个黑洞发生了大规模碰撞，每个黑洞都有 30 个太阳那么大，它们合二为一。科学家们设计了巧妙的方法来探测地球上许多光年之外产生的引力波！

爱因斯坦的理论指出，引力波会扭曲空间和时间，因此会扭曲所经过的任何质量。为了探测这种运动，我们创建了一个 "L "形隧道，在隧道中，两束激光从一面镜子反弹回来，并结合在一起，形成单一的激光干涉。这些激光探测系统也被称为激光干涉仪。 源光束脉冲将通过一个分光镜，光束在分光镜中分裂。分出的每束光都会到达一个反射镜，然后反弹回原来的分光镜，并在那里重新结合。如果两面镜子之间因引力波而产生轻微位移，反射光将在不同时间结合。例如，一面镜子变长，另一面镜子变短，从而产生信号变化，证明引力波的存在。

激光干涉仪的基本原理。图片由 Ligo Scientific Collaboration 提供。

3. 干涉仪的测量结果有多可靠？
光的一个大问题是它在空气中会发生衍射和散射，碰撞空气分子并反射到未知的方向。如果你曾远眺远山，就会发现它们有些模糊不清，雾蒙蒙的，这正是由于空气中的空气分子和水分子阻碍了反射光的远距离传播。这受到温度、压力、湿度和二氧化碳浓度的影响，被称为空气的折射率。因此，该设施必须对 4 千米隧道内的所有空气进行真空处理，以防止光线散射。 这使得 LIGO 能够探测到只有质子宽度万分之一的运动！

由于具有如此惊人的精确度，地面上的任何移动都会扰乱激光器，造成对科学家没有实际用途的噪声数据。为了抵消来自大气层的噪音和地球地面的震动，科学家们设计了一种巧妙的方法。该方案将利用两个空间上独立的测量，这样任何环境噪声，无论是来自大气层还是地面振动，都将完全独立和不同步，因此唯一同步的信号将是外星信号。两个双波探测器之间的距离相距 3000 千米，足以消除外面移动的卡车甚至地区地震造成的噪音。

然后，研究人员就可以观察和比较两个地点的数据，以确定运动是否真的是由引力波引起的；如果在一个实验室观察到的信号出现尖峰，而在另一个实验室却没有捕捉到信号，那么这可能只是一场虚惊。通过这种方法，研究人员可以确保他们确实探测到了引力波。

位于利文斯顿和汉福德的两个 Ligo 实验室。图片由加州理工学院提供。

4. 激光干涉仪的新发展
利用激光干涉仪的相同概念，科学家们能够设计出其他（而非 L 形）几何形状的激光干涉仪，其灵敏度明显高于最初的原型。虽然最初的经典装置通过增加干涉仪臂长和镜对得到了改进，但灵敏度仍有待提高。干涉仪中的每对镜子都会带来新的光畸变，并在探测器中产生过多噪声。因此，需要在增加路径长度和引入新的激光光束畸变之间做出权衡。

澳大利亚的研究人员提出了一种全新的方法，可以从根本上提高测量的灵敏度。他们使用了一种表面带有压印结构的等离子体。一种规定的特殊图案已被编码为亚波长尺度的元结构。当背向反射光通过多个探测器被探测到时，就可以重建表面的元结构。他们最初的实验表明，传统激光干涉仪的灵敏度提高了 1000 倍。这项技术可用于提高引力波探测的灵敏度。

科学家发现一种探测引力波的新方法。图片由西澳大利亚大学提供。

另外，在现有系统领域，一项名为激光干涉仪空间天线（LISA）的新任务计划于 2024 年完成，并于 2030 年发射。这个空间天线将相距 250 万公里，使用等边三角形的激光干涉仪来探测引力波。 它将在环绕太阳的轨道上运行，并在地球后方 20 度跟踪地球。科学家们发现，这项技术比他们之前预测的精确度高出五倍。有了更好的技术，我们可以探测到更微弱的波，这最终意味着我们可以看到更远的过去。

比较不同的引力波探测方法。图片来源：Universe Today。

5. 我们能利用激光干涉仪通过引力波探测地震吗？
与引力波类似，地震也可以模仿引力波的特征，因为地震会使脚下的地面发生位移。目前，我们还没有精确的方法来探测地震。地震产生的地震波每秒的传播速度接近六公里，因此加快探测速度是关键。在一个地区周围放置多个地震传感器是一种解决方案，但读数可能需要几秒或几分钟的时间才能向破坏路径上的人们发出警告。

由于地震发生时质量会发生惊人的变化，因此会产生在空间和时间上传播的引力波。我们可以利用 LIGO 技术，以光速而非声速预测这些事件何时发生，并提前向城市发出警告。这几秒钟或几分钟可以挽救成千上万人的生命。小地震波在大地震波到来之前首先被探测到。因此，如果研究人员看到细微的移动增加，这可能是更大和更危险的波的早期迹象。

引力信号现在还不够强，无法用这种技术探测到，因为只有 8.3 级及以上的地震才能预测到。此外，地震传感器密集的地区也无法从这项新技术中明显受益。由于这些局限性，日本正计划率先采用这项技术，因为海啸需要 10-15 分钟才能到达陆地，而传感器无法分散在海洋中。