來(lái)源：Medium

　　撰文：簡(jiǎn)·努拉（Jan Knura）

　　翻譯：葉子

　　在歐洲核子研究中心（CERN）工作的粒子物理學(xué)家正在思考要不要建一臺(tái)100公里長(zhǎng)的環(huán)形加速器，因?yàn)楝F(xiàn)有的27公里長(zhǎng)的加速器已經(jīng)無(wú)法解決該領(lǐng)域遺留的問(wèn)題了。而天體物理學(xué)家則在急切地等待詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的上線，這是目前為止該類儀器中最昂貴、也最大的一臺(tái)。

　　物理學(xué)家在一個(gè)話題上研究得越久，所需要的測(cè)量?jī)x器就越大，這似乎已經(jīng)成了某種自然法則。

　　就連在對(duì)引力波的搜尋中，科學(xué)家對(duì)更大、更好的儀器的盼望也再清楚不過(guò)。受五年前首次觀察到時(shí)空漣漪存在的證據(jù)所啟發(fā)，研究人員如今正在籌劃一項(xiàng)野心勃勃的太空計(jì)劃，名叫激光干涉太空天線（LISA），將于2034年發(fā)射進(jìn)入太空。而與此同時(shí)，他們還準(zhǔn)備在地面上修建一系列新一代測(cè)量?jī)x器。與這些儀器相比，LIGO天文臺(tái)兩臺(tái)4公里長(zhǎng)的激光干涉儀將顯得相形見(jiàn)絀。

　　引力波是細(xì)小的時(shí)空漣漪，最早由愛(ài)因斯坦在1915年的廣義相對(duì)論中提出預(yù)測(cè)，并在2015年首次被人類證實(shí)。每當(dāng)太空中某處有大質(zhì)量物體加速移動(dòng)時(shí)，如兩個(gè)黑洞相撞時(shí)，就會(huì)形成時(shí)空的振蕩。這個(gè)過(guò)程中釋放的振蕩會(huì)以光速向四面八方傳播開(kāi)去，暢通無(wú)阻地滲透到整個(gè)宇宙的各個(gè)角落。在地球上，引力波可以用激光干涉儀進(jìn)行探測(cè)。干涉儀系統(tǒng)由兩條隧道構(gòu)成，每條長(zhǎng)三至四公里，排成一個(gè)“L”型，激光束可以在其中來(lái)回反彈。如果有引力波擊中其中一條隧道，該隧道的長(zhǎng)度就會(huì)以極小的幅度發(fā)生壓縮，導(dǎo)致在該隧道中傳播的激光束抵達(dá)末端的時(shí)間略短了一些。

　　而歐洲也想打造這樣一臺(tái)夢(mèng)想中的探測(cè)器，稱其為“愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡”，簡(jiǎn)稱為“ET”。據(jù)悉，它將由三條10公里長(zhǎng)的探測(cè)臂構(gòu)成，在地下組成一個(gè)巨大的三角形。選址可能包括地中海中的撒丁島、以及由荷蘭、比利時(shí)和德國(guó)三國(guó)邊境構(gòu)成的三角形等等。

　　10億光年之外

　　體積如此巨大，并且位于地表下方200至300公里處，這臺(tái)探測(cè)器對(duì)引力波的敏感度應(yīng)當(dāng)更甚于現(xiàn)有的探測(cè)器。愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)在該項(xiàng)目官網(wǎng)上指出，該望遠(yuǎn)鏡應(yīng)當(dāng)能探測(cè)到強(qiáng)度只有美國(guó)LIGO和意大利VIRGO探測(cè)能力十分之一的引力波。

　　萊布尼茲大學(xué)愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡指導(dǎo)小組聯(lián)合主席哈拉德·盧克指出，這能讓我們?cè)谔罩锌吹酶罡h(yuǎn)。目前，地面上的引力波觀測(cè)站探測(cè)到的信號(hào)主要來(lái)自10億光年之外。但科學(xué)家認(rèn)為，從某種意義上來(lái)說(shuō)，這在宇宙中仍然只算“鄰近地區(qū)”，可觀測(cè)宇宙遠(yuǎn)比這大得多。

　　目前探測(cè)到的引力波大多源自于黑洞。它們有時(shí)會(huì)成雙成對(duì)地在太空中移動(dòng)，圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，最終越靠越近。近到一定程度后，它們就會(huì)合并成一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞。由于在短短時(shí)間內(nèi)，這些質(zhì)量被急劇加速，因此時(shí)空會(huì)變得越來(lái)越熾熱，引力波也會(huì)以光速向四面八方擴(kuò)散開(kāi)去。

　　引力波的振幅會(huì)隨著傳播距離的增加而不斷減弱。因此，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡這樣的探測(cè)器可以探測(cè)到從宇宙中更遠(yuǎn)處傳來(lái)的信號(hào)。計(jì)算結(jié)果顯示，研究人員甚至能觀察到過(guò)去“黑暗時(shí)代”、即宇宙中尚無(wú)恒星形成時(shí)的情形。

　　愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡還將在捕捉到的引力波頻率上獨(dú)辟蹊徑。與之前的探測(cè)器不同，它將由兩套單獨(dú)的激光干涉儀構(gòu)成。第一套干涉儀將在超低溫下運(yùn)行，可以捕捉到低頻率的引力波；第二套則在室溫下運(yùn)行，可以探測(cè)到更高頻率的引力波。探測(cè)帶寬增加了，探測(cè)結(jié)果想必也會(huì)更理想。

　　中等質(zhì)量黑洞

　　在2至3赫茲的超低頻率下，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡將尤為活躍。而現(xiàn)有的探測(cè)器是無(wú)法捕獲如此低頻的引力波的。在該頻段上，研究人員希望能找到由質(zhì)量為太陽(yáng)幾百倍的“中等質(zhì)量黑洞”合并時(shí)發(fā)出的信號(hào)。這樣的天體居然真的存在，是近幾年令科學(xué)家倍感震驚的發(fā)現(xiàn)之一。這些黑洞被視為星系中央那些超大質(zhì)量黑洞的“種子”。目前科學(xué)家仍不清楚它們是如何在早期宇宙中形成的。

　　截至目前，LIGO和VIRGO探測(cè)器已經(jīng)對(duì)數(shù)十次黑洞合并展開(kāi)了測(cè)量，這些黑洞質(zhì)量均只有太陽(yáng)的幾十倍。盧克透露，“愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡能夠記錄到10萬(wàn)次、甚至100萬(wàn)次這樣的事件，事件發(fā)生的時(shí)間范圍也會(huì)很大。這能讓我們弄清楚，宇宙起源時(shí)的情況是否如同我們所想的那樣?！?/p>

　　愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡也許甚至能探測(cè)到宇宙變得透明前的引力波。目前，人類對(duì)早期宇宙的了解主要來(lái)自宇宙背景輻射。在宇宙大爆炸發(fā)生的38萬(wàn)年后，輻射物質(zhì)混合物逐漸冷卻下來(lái)，質(zhì)子和電子“重組”成了中性氫。不同于帶電荷的原子核和其它粒子，中性氫可以讓光線從中穿過(guò)。因此自宇宙誕生以來(lái)、電磁波首次能夠暢通無(wú)阻地傳播到宇宙各處。但引力波早在此之前就可以在宇宙中自由傳播了，因此在理想情況下，引力波將能夠幫助我們了解宇宙最初38萬(wàn)年期間的情況。

　　愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡還將對(duì)中子星展開(kāi)研究。中子星是恒星死后留下的超致密殘骸，直徑只有20幾公里。它們也可以釋放出可探測(cè)到的引力波，并且不僅是當(dāng)它們合并的時(shí)候，其余時(shí)間也可以?！爸凶有堑男D(zhuǎn)速度高達(dá)洗衣機(jī)滾筒的100倍。”盧克指出。如果中子星的形狀并不是完美的球形，旋轉(zhuǎn)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生引力波。

　　本世紀(jì)30年代開(kāi)始測(cè)量

　　據(jù)研究人員估計(jì)，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)約為19億歐元，比100公里長(zhǎng)的粒子加速器便宜得多，據(jù)說(shuō)只有后者的10分之一。盧克和同事們希望，這臺(tái)新引力波探測(cè)器的相關(guān)工作最早能于本世紀(jì)20年代末開(kāi)始，并在30年代開(kāi)始運(yùn)行。

　　“它的基礎(chǔ)設(shè)施將運(yùn)用新技術(shù)不斷擴(kuò)張，應(yīng)當(dāng)可以運(yùn)行50年?！焙商m馬斯特里赫特大學(xué)的斯蒂芬·希爾德指出。在希爾德的帶領(lǐng)下，一支團(tuán)隊(duì)正在籌劃這座巨型探測(cè)設(shè)施初期應(yīng)安裝的設(shè)備。在馬斯特里赫特大學(xué)一間舊打印店的倉(cāng)庫(kù)里，研究人員正在搭設(shè)一臺(tái)名叫“ET探路者”的小型原型設(shè)施，探測(cè)臂長(zhǎng)20米?！斑@個(gè)長(zhǎng)度太短了，無(wú)法探測(cè)到引力波。”希爾德解釋道，“我們只是想測(cè)試各種能夠提升愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡敏感度的技術(shù)而已。”

　　希爾德舉了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明其中的難度：“要想對(duì)引力波進(jìn)行測(cè)量，我們必須能探測(cè)到尺度在10-23 米上的相對(duì)變化。假如一滴雨水落在荷蘭最大的湖泊艾瑟爾湖中，水面會(huì)上升10^-19 米。而如果落在比它小一半的康斯坦茨湖中，水面則會(huì)上升2×10^-19 米。”

　　這些數(shù)字說(shuō)明，地球上的任何細(xì)微震動(dòng)都會(huì)破壞對(duì)引力波的搜尋。畢竟，這樣的震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致干涉儀的鏡面發(fā)生位移，從而使光線的傳播時(shí)長(zhǎng)有所改變，就像引力波壓縮鏡面之間空間造成的效果一樣。

　　對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)，就連原子的布朗運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)問(wèn)題。為了減慢鏡子表面的熱運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家想將部分反射鏡的溫度降低到零下263攝氏度。不過(guò)在這樣的低溫下，合成玻璃的機(jī)械性能會(huì)受到破壞，干擾噪聲也會(huì)有所增加。希爾德的團(tuán)隊(duì)想用排列更加齊整的單晶硅解決這個(gè)問(wèn)題。然而，對(duì)于常見(jiàn)的近紅外激光的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，單晶硅并不透明，因此研究人員打算使用波長(zhǎng)稍長(zhǎng)一些的纖維激光。

　　另一個(gè)干擾源是所謂的量子噪音。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是指光子向鏡面的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，會(huì)使后者發(fā)生微小的移動(dòng)。為減小鏡面的移動(dòng)，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡將把鏡子的重量從40千克增加到200千克。此外，研究人員還會(huì)改進(jìn)鏡子的懸掛方式。

　　就算馬斯特里赫特大學(xué)的這臺(tái)原型設(shè)施“僅用于”技術(shù)測(cè)試，“ET探路者”團(tuán)隊(duì)也不希望受到任何干擾?！懊慨?dāng)刮風(fēng)時(shí)，墻壁受到風(fēng)的推力，地板也會(huì)發(fā)生輕微的移動(dòng)?！毕栴D指出。因此研究人員毫不猶豫地更換了這些地板。新地板由169根柱子支撐，與建筑的其余部分相分離。該團(tuán)隊(duì)正在打造一間極度潔凈的清潔室，并計(jì)劃于2021年春季開(kāi)始測(cè)試。

　　尋找最佳地點(diǎn)

　　愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡最終將建在何處、展開(kāi)對(duì)引力波的搜尋，目前尚不清楚。但可以肯定的是，它一定會(huì)被建在地下。一方面，這是因?yàn)樵跉W洲很難找到一處能容得下一座邊長(zhǎng)10公里的三角形設(shè)施的地區(qū)。而另一方面，這是因?yàn)樵诘叵律钐?，人類生活區(qū)、工業(yè)和交通的震動(dòng)干擾也會(huì)小很多。根據(jù)地質(zhì)學(xué)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究，規(guī)劃者們目前比較傾向于撒丁島、或者前面提到的荷蘭、比利時(shí)與德國(guó)邊境交界處。

　　對(duì)許多德國(guó)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，后一處地點(diǎn)或許更令他們滿意，盡管來(lái)得遲了些。假如當(dāng)初事情的發(fā)展有所不同，那么人類首次發(fā)現(xiàn)引力波也許就不是在美國(guó)、而是在德國(guó)了。畢竟在上世紀(jì)70年代，是德國(guó)研究人員為后續(xù)驗(yàn)證引力波的存在奠定了基石。

　　據(jù)當(dāng)時(shí)在馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所工作的沃爾特·溫克勒介紹，他們?cè)群笤谀侥岷诤图优d考察了建造引力波探測(cè)儀的可能性。1987年，該團(tuán)隊(duì)甚至給時(shí)任德國(guó)聯(lián)邦科研部長(zhǎng)的海因茨·里森胡貝爾寫(xiě)了一封信，提議修建一臺(tái)激光干涉儀。該設(shè)備設(shè)計(jì)有三條探測(cè)臂，每條長(zhǎng)三公里。溫克勒還指出，物理學(xué)家們?cè)?989年與英國(guó)科學(xué)家展開(kāi)合作，共同更新了這項(xiàng)提案。

　　研究人員表示還未得到科研部的任何回應(yīng)。當(dāng)然，這臺(tái)造價(jià)3億德國(guó)馬克的設(shè)備顯然是一筆不小的投資，這一項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)本身也存在風(fēng)險(xiǎn)。

　　而美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)則在上世紀(jì)90年代承擔(dān)起了這一風(fēng)險(xiǎn)，并在近30年后首次探測(cè)到了引力波，即刻獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　地下的問(wèn)題

　　“重大的科學(xué)項(xiàng)目總會(huì)有政治摻雜其中。愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡并不一定就會(huì)建在德國(guó)、荷蘭和比利時(shí)交界處，也不一定就建在撒丁島。我們才剛剛向歐洲科研基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略論壇（ESFRI）提交了申請(qǐng)，將這一項(xiàng)目加入論壇路線圖中。”盧克透露。這需要德國(guó)等各個(gè)國(guó)家在內(nèi)的支持。不過(guò)，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目尚未被加入到德國(guó)政府的研究計(jì)劃中。

　　研究人員們希望能在五年內(nèi)定下項(xiàng)目選址。有許多因素需要考慮，比如當(dāng)?shù)氐牡卣鹎闆r、地下土壤的地質(zhì)組成等等，這些都決定了地下建設(shè)的成本。但社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、比如該項(xiàng)目對(duì)涉及地區(qū)與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)影響，也會(huì)在其中起到一定作用。當(dāng)然，政治利益、以及涉及國(guó)家的經(jīng)濟(jì)前景也需要納入考慮范圍之內(nèi)。

　　此外，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡的支持者還必須解釋清楚建設(shè)該項(xiàng)目的必要性。例如，科學(xué)家目前不僅在籌備激光干涉太空天線（LISA）項(xiàng)目，還計(jì)劃修建一臺(tái)名叫“宇宙探測(cè)者”的地面探測(cè)儀，包含兩條長(zhǎng)40公里的地上探測(cè)臂，就像愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡一樣雄心勃勃。

　　有科學(xué)家指出，未來(lái)我們的探測(cè)器技術(shù)會(huì)更加先進(jìn)，尤其是在低頻引力波范圍內(nèi)，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡能夠進(jìn)行更加精確的觀測(cè)，也因此能觀察到宇宙更久遠(yuǎn)的‘黑暗時(shí)代’的情形。在理想情況下，如果上述兩臺(tái)儀器都能成功修建，然后在其它地方再建第三臺(tái)，“就可以非常精確地鎖定引力波在太空中的來(lái)源了?！痹谶@種情況下，射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也可以緊隨其后，這樣更有利于記錄數(shù)據(jù)和理解事件真相。

盧克指出，LISA項(xiàng)目的觀測(cè)頻段與愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡不同，介于1至100毫赫茲之間，因此可以接收到其它來(lái)源發(fā)出的引力波?！袄纾梢蕴綔y(cè)到超大質(zhì)量黑洞的合并。由于下一代地面探測(cè)器與LISA觀測(cè)到的過(guò)程大相徑庭，研究人員認(rèn)為二者可以互相補(bǔ)充。

　　LIGO在五年前首次觀測(cè)到的引力波事件GW150914也是這樣一個(gè)例子?！凹偃绠?dāng)時(shí)LISA項(xiàng)目已經(jīng)在太空中運(yùn)行，我們首次觀測(cè)到引力波的時(shí)間將提前十年。在這種情況下觀測(cè)到的事件將不是一次大爆炸，而是能顯示兩個(gè)天體逐漸靠近、跳起死亡之舞的過(guò)程。對(duì)引力波研究人員而言，這一過(guò)程就像最終的大爆炸一樣令人激動(dòng)。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，太空探測(cè)器和地面探測(cè)器都不可或缺。”