捕捉引力波的五种新方法——以及它们将揭示的秘密

2015 年 9 月，一次仅持续五分之一秒的振动改变了物理学的历史。这是首次直接探测到引力波——时空几何扰动以光速穿越宇宙。

天文学家说，这就像获得了一种新的感觉——就好像在 2015 年之前，他们只能“看到”宇宙事件，而现在他们也能“听到”它们了。从那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的两个大型设施以及位于意大利比萨附近的姊妹天文台 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方法，包括有关黑洞及其起源的大恒星的生命故事的线索。瑞士日内瓦大学理论物理学家 Chiara Caprini 说，对许多物理学家来说，引力波科学的诞生是过去十年中罕见的亮点。其他有前途的探索领域令人失望：暗物质搜索一直一无所获；日内瓦附近的大型强子对撞机除了希格斯玻色子之外什么也没发现；甚至一些有希望的新物理学迹象似乎也在消退。“在这个相当平淡的领域，引力波的到来是一股清新的空气，”Caprini 说。

这一罕见的亮点看起来将会变得更加明亮。

到目前为止，发现的 100 多个引力波事件都只是物理学家认为存在的引力波的一小部分。LIGO 和 Virgo 打开的窗口相当狭窄，主要限于 100-1,000 赫兹范围内的频率。随着成对的重星或黑洞在数百万年内缓慢地相互旋转，它们会产生频率缓慢增加的引力波，直到物体相撞前的最后时刻，引力波才会进入这个可探测范围。但这只是预计会产生引力波的众多现象之一。

LIGO 和 Virgo 是激光干涉仪：它们的工作原理是检测沿垂直臂发射的激光的传播时间的微小差异，每个臂长几公里。当引力波冲刷它们时，臂会以微小的量膨胀和收缩。研究人员目前正在研究几个下一代 LIGO 型天文台，既在地球上，也在太空中，即激光干涉仪空间天线；有些人甚至提议在月球上建造一个1其中一些可能对频率低至 1 Hz 的引力波敏感。

但物理学家也在探索完全不同的引力波探测技术。这些策略包括观察脉冲星和测量量子涨落，希望能够捕捉到频率在兆赫到纳赫范围内的种类繁多的引力波（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绕转数天、数周甚至数年，而不仅仅是碰撞前最后几秒钟。他们还将能够发现完全不同的宇宙现象产生的波——包括巨型黑洞，甚至是宇宙本身的起源。他们说，所有这些都将揭开宇宙的许多遗留秘密。

脉冲星计时阵列：捕捉持续十年的波涛

去年，干涉仪的一种可行替代品进入了市场。

自 21 世纪初以来，射电天文学家一直试图将整个银河系用作引力波探测器。诀窍是监测数十颗中子星，即脉冲星。这些中子星每秒绕轴旋转数百次，同时发射射频光束，每次旋转都会产生类似光脉冲的物质。

横扫银河系的引力波会改变地球与每颗脉冲星之间的距离，导致探测到的脉冲星频率每年都出现异常。对脉冲星集合或阵列（称为脉冲星计时阵列 (PTA)）的观测应该能够探测到频率仅为纳赫兹的引力波引起的变化，例如，一对超大质量黑洞可能会产生这种变化。这种波的连续波峰需要数十年才能通过给定的有利位置，这意味着需要数十年的观测才能发现它们。

巨大引力波：科学家为何如此兴奋

2023 年，PTA 技术开始取得成果。康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的天体物理学家 Chiara Mingarelli 表示，北美、欧洲、澳大利亚和中国的四个独立合作机构揭示了一种令人着迷的模式，这种模式可能是由引力波的随机“随机背景”引起的，这种引力波使地球晃动，可能是由超大质量黑洞双星的嘈杂声引起的。

这些团队尚未使用“发现”一词，因为每个合作项目揭示的证据尚未确凿。但除中国团队外，其他三支团队目前正在汇总数据并进行联合分析，希望能够得出“发现”一词。这需要艰苦的工作，因为每个团队处理原始数据的方式略有不同，因此可能还需要至少一年的时间才能发表，弗吉尼亚州夏洛茨维尔美国国家射电天文台的天体物理学家、北美合作项目的高级成员斯科特·兰森 (Scott Ransom) 说。

“根据我们目前的数据，我们几乎肯定能找到单个超大质量黑洞双星的迹象，”兰森说。他补充说，随着每年的观察，他们应该能更接近从杂音中分辨出单个黑洞对。“事情会越来越好。”

微波望远镜：发现来自大爆炸的波

在 LIGO 于 2015 年进行探测的前一年，一个宇宙学家团队使用名为 BICEP2 的南极望远镜声称发现了引力波——不是直接发现，而是以被称为宇宙微波背景 (CMB) 的光模式存在，有时也被描述为大爆炸的余辉。

BICEP2 的说法被证明为时过早，但宇宙学家现在正在加倍研究这个想法。一个比 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立。一些研究人员对一个更强大的阵列抱有希望，称为 CMB-S4（最初提议包括智利和南极的 12 台望远镜）——尽管 5 月份该项目的计划因美国南极基地年久失修而被搁置。

引力波：它们可以解决的 6 个宇宙问题

宇宙学家在 CMB 中寻找的是其极化漩涡中的特定“B 模式”图案（微波摆动的优先方向），这可能是引力波通过时留下的印记。理论认为，这种波应该是由膨胀产生的，膨胀是宇宙膨胀的快速爆发，据认为发生在大爆炸前后2。膨胀可以解释宇宙的许多最引人注目的特性，例如它的平坦度和质量的分布。膨胀产生的引力波最初会以高频率产生，但现在频率已经低至 10−14 Hz 左右，低得令人难以置信。

尽管暴胀是公认的宇宙学理论的基石，但目前尚无证据。B 模式模式将是确凿的证据，而且将揭示所涉及的能量尺度，这将是了解是什么推动了暴胀的第一步。

问题是，没有人知道这种能量规模是否大到足以留下明显的痕迹。“暴胀预测了 B 模式，但我们不知道它是否大到可以被探测到，”马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的理论天体物理学家 Marc Kamionowski 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。

原子干涉测量法：缩小差距

尽管许多此类项目将引力波科学推向了更低频率，但它们在 1 Hz 以下留下了一个关键的空白。

探测到这样的频率可以揭示比 LIGO 观测到的黑洞合并大得多的黑洞合并（LIGO 观测到的坍缩恒星产生的波最多只有几十个太阳质量）。“这是一个未探索的区域，但可能有很多黑洞，”卡普里尼说。

伦敦帝国理工学院的物理学家 Oliver Buchmüller 表示，一种新兴技术可以解决这个问题。“原子干涉测量法填补了我们目前无法用其他技术探索的空白，”他说。原子干涉仪是一种垂直高真空管，原子可以在其中释放并在重力作用下下落。在此过程中，物理学家用激光刺激原子，使它们在激发态和松弛态之间切换——这与原子钟使用的原理相同。“我们正试图将这种原子钟技术推向最终可能，”加州斯坦福大学物理学家 Jason Hogan 说。

霍根说，为了探测引力波，物理学家计划将两组或更多组原子以不同的高度放入同一垂直管道内，并测量激光脉冲从一组原子传播到另一组原子所需的时间。引力波的通过会导致光在它们之间传播所花费的时间略少或略多——这种变化小于 1000 亿亿分之一。

斯坦福大学的先驱实验已经开发出高度为 10 米的原子干涉仪，但探测引力波需要至少 1 公里高的设备，可以安装在矿井中，甚至安装在太空中。作为第一步，世界各地的几个团体正计划建造 100 米原子干涉仪作为试验台。一个名为 MAGIS-100 的此类设施已经在伊利诺伊州芝加哥市外的费米国家加速器实验室的现有竖井中建造，计划于 2027 年完工。

台式探测器：提高频率

其他研究人员正在探索使用更小、更便宜的探测器探测引力波的方法——包括一些可以放在桌面上的探测器。这些探测器旨在观测极高频引力波。已知现象可能不会产生这样的波，但一些推测理论确实预测了它们。

伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的悬浮传感器探测器 (LSD) 看起来像一个玩具 LIGO：它在相距仅 1 米的镜子之间反射激光。LSD 是一种新型仪器的原型，旨在利用共振来感应引力波：同样的原理，即使是很小的推力也可以让荡秋千的孩子在时间恰到好处的情况下越荡越高3。

爱因斯坦望远镜会被一分为二吗？

在 LSD 的每个臂内的真空中，激光将一个宽度仅为几微米的粒子悬浮起来。与干涉仪一样，引力波的通过将交替拉长和压缩每个臂的长度。如果引力波的频率与该装置的频率产生共振，激光将对粒子产生许多微小的冲击。领导该项目的西北大学物理学家 Andrew Geraci 表示，LSD 可以以飞米的精度跟踪粒子的运动。

LSD 的设计目标是对频率约为 100 kHz 的引力波敏感。如果团队能够控制实验噪音，并且假设存在这样的引力波，那么这个原型可能已经有机会探测到一些引力波。“取决于你有多乐观，我们也许能够用 1 米长的仪器测量该波段的真实信号，”Geraci 说。他补充说，未来版本可以扩展到 100 米长的臂，这将提高它们的灵敏度。

英国南安普顿大学的理论物理学家 Ivette Fuentes 想出了一个制作更小的谐振探测器的想法。她的目标是利用一种名为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的奇异物质状态下的声波——这是一种保持在绝对零度以上几百万分之一度的原子云。如果引力波以与声波共振的频率通过，就可以被探测到。因为寻找这种信号会破坏 BEC，所以每秒都需要释放大量原子。Fuentes 说，这个过程可能需要重复数月才能成功探测到。

原则上，基于 BEC 的探测器可以将对引力波的搜索范围扩大到 1 MHz 或更高的极高频率——同样，前提是它们存在。Fuentes 表示，她的计划需要将 BEC 技术推向略高于当前水平的水平。“我认为这个想法非常大胆，”她说。物理学家们认为，高频引力波可以揭示大爆炸后大约一秒钟内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：仅需一秒钟

探测引力波的最后一个更激进的提议是将物体同时放置在两个地方。

“史上最佳景观”：天文台将以全新细节绘制大爆炸余辉

伦敦大学学院的物理学家 Sougato Bose 提出了一种装置，将微米级的钻石晶体置于两个量子态的叠加态中。在他的方案中，晶体的两个“角色”将被推开多达 1 米，然后再合在一起——这是一个极其精细的过程，就像把童谣中的人物 Humpty Dumpty 从高处摔下来后重新聚在一起一样。引力波的通过会使一个角色在分开时比另一个角色走得更远，使他们在重聚时以可测量的方式失去同步。整个过程大约需要一秒钟才能完成，这将使该装置对大约 1 Hz 的引力波敏感。

这个想法非常雄心勃勃：迄今为止，这种量子技巧只对分子大小的物体有效，而且没有人测试过量子奇异性是否可以被推到如此极端。“将 Humpty Dumpty 重新组合起来从未在晶体中被证实过，”Bose 说。

但如果这项技术能够完善，那么像这样的桌面实验就可以让引力波探测不再局限于少数大型实验室。这些技术结合起来，可以打开一扇窗户，让我们看到我们所能看到的东西。“前景非常乐观，”卡普里尼说。