2016 年2 月11 日,LIGO科學(xué)合作機(jī)構(gòu)(LIGO Scientific Collaboration)宣布[1],在愛因斯坦預(yù)言引力波整100 周年之后,首次直接探測到引力波[2]。具體時間為2015 年9 月14 日,LIGO 在美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個探測器,探測到據(jù)信13 億年前兩個分別為29 和36 倍太陽質(zhì)量的黑洞合并的事件(GW150914)。在合并過程的最后不到一秒時間內(nèi),約三倍太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波發(fā)射出來。但是,到達(dá)13 億光年之外的地球時,其產(chǎn)生的峰值應(yīng)變僅為10-21,這相當(dāng)于地球與太陽間的距離發(fā)生一個氫原子大小的改變。這么微弱的變化,被精密的大型激光干涉儀探測到,技術(shù)進(jìn)步在科學(xué)研究中的重要作用顯露無遺。
除了進(jìn)一步驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對論的正確性,更為重要的,這次的發(fā)現(xiàn)開啟了引力波天文學(xué)的新時代。在這之前,人類觀測宇宙的手段均依賴于電磁波,引力波探測是我們獲得的一種新能力。在宣布這個新發(fā)現(xiàn)時,LIGO 的發(fā)言人說:我們將不僅能“看”宇宙,而且能“聽”宇宙[1]。考慮到引力波的頻段與聲波有所重疊,這樣的說法非常生動,甚至貼切。這次“聽”到的引力波,頻率在0.2 s 內(nèi)從35 Hz上升至250 Hz,像13 億光年外一只大鵬的啁啾。而激光干涉引力波探測器就像巨大的助聽器,幫助地球上的人類傾聽宇宙深處,翹曲時空中發(fā)生的劇烈事件。
2、高新LIGO探測器
LIGO 探測器本質(zhì)上是一個邁克爾孫干涉儀,物理學(xué)教科書在講解光的干涉時都會說起。上世紀(jì)六七十年代,就有人提出利用干涉儀探測引力波的想法。經(jīng)過多年關(guān)于這類探測器的噪聲和性能的研究,在80 年代形成長基線激光干涉儀的具體建議[3]。LIGO裝置在1992 年獲得美國科學(xué)基金會的資助,2000 年建設(shè)完成。國際上陸續(xù)建成的同類裝置還有日本的TAMA 300,德國與英國合建的GEO 600,意大利與法國合建的Virgo,這些探測器在2002—2011 年間進(jìn)行了聯(lián)合觀測。雖然沒有測量到引力波信號,但是這些觀測設(shè)定了多種引力波源的上限。這次立功的高新LIGO探測器是改進(jìn)之后的LIGO探測器,而GW150914是在試運(yùn)行階段觀測到的。在經(jīng)過多年的努力之后,這次科學(xué)家們的好運(yùn)氣可以說是應(yīng)得的。
利用激光干涉儀測量引力波的基本想法很簡單。引力波帶來的時空扭曲,會引起干涉儀兩臂相對長度的微小變化。這個微小變化反映在干涉儀中返回分束鏡時兩個光場的相位差異上,于是產(chǎn)生一個與引力波對應(yīng)的光學(xué)干涉信號。但是引力波帶來的時空扭曲非常微小,比如GW150914 到達(dá)地球時應(yīng)變僅為10-21。LIGO 是一個L字形的改良的邁克爾孫干涉儀,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。兩個4 km 長的干涉臂互相垂直,GW150914 產(chǎn)生的臂長變化只有10-18m量級。
為獲得足夠的靈敏度,高新LIGO 探測器在光學(xué)上采取了數(shù)個增強(qiáng)措施[2]。首先,每個干涉臂本身是法布里—珀羅諧振腔。進(jìn)入干涉臂的激光,不像一般邁克爾孫干涉儀,只走一個來回就回到分束鏡與另一臂的光束發(fā)生干涉,而是被“保存”在干涉臂中一段時間。激光在法布里-珀羅諧振腔中來回振蕩約300 次才返回分束鏡,意味著光場的相位對長度變化的敏感度得到了300倍的增強(qiáng)?;蛘邠Q句話說,干涉儀的有效臂長提高了300 倍。與此同時,腔中激光功率也因?yàn)楣舱裨鰪?qiáng)作用,提高了300 倍。其次,干涉儀工作在暗態(tài)附近,大部分激光被反射回原激光方向。因此,在激光之后、分束鏡之前,放置了一個部分透過的鏡子,用以共振增強(qiáng)干涉儀中的激光,增強(qiáng)效果約35 倍。于是,20W的激光輸入,在分束鏡處增強(qiáng)為約700 W,在每個臂中增強(qiáng)為100 kW。另外,在干涉儀的輸出端也放置了一個部分透過的鏡子,用于增強(qiáng)信號提取和探測器帶寬。
所有這些干涉儀技術(shù)措施,都是為了使引力波應(yīng)變產(chǎn)生的光學(xué)信號最大化,從而降低光子散粒噪聲。光子散粒噪聲是由到達(dá)光電探頭的光量子的統(tǒng)計(jì)漲落引起的,它是激光干涉引力波探測器高頻端的主要噪聲來源,它對信號信噪比的影響與干涉儀中激光功率的平方根成反比。未來數(shù)年,高新LIGO 探測器計(jì)劃通過增加入射激光功率,把干涉儀中循環(huán)的激光功率提高至750 kW,進(jìn)一步降低噪聲[4]。
為實(shí)現(xiàn)這些增強(qiáng)功能,所有這些耦合的光學(xué)腔都需要通過伺服控制系統(tǒng)鎖定。干涉臂中的法布里—珀羅腔的腔長起伏穩(wěn)定到小于100 fm,而其他的光學(xué)腔保持在1 到10 pm 以內(nèi)。同時,每個鏡子需要調(diào)節(jié)并保持與光軸完美重合,偏差在數(shù)十個納弧度以內(nèi)。
高新LIGO 探測器能夠探測極微弱的引力波應(yīng)變,必然對環(huán)境中的微小振動非常敏感。它本質(zhì)上是一個巨大的地震儀,可以感應(yīng)附近路上的車輛,遠(yuǎn)處海浪拍岸,還可感應(yīng)地球上幾乎所有重要的地震。這些機(jī)械振動是低頻端的主要噪聲來源。為降低震動噪聲,每個鏡子都被懸掛在一個復(fù)雜的四級擺系統(tǒng)上,如圖2 所示;而這個四級擺系統(tǒng)又固定在一個主動震動隔離平臺上。以此來濾除大部分機(jī)械波,隔離外界的干擾[5]。
在中間頻段,鏡子和懸掛裝置中分子的布朗運(yùn)動引起的熱噪聲是主要噪聲源。干涉儀中鏡子直徑34 cm,厚20 cm,重達(dá)40 kg,選擇超高純?nèi)凼⒉馁|(zhì),以降低熱噪聲。鏡子表面的拋光精度達(dá)千分之一激光波長,也就是1 nm 左右(圖3)。鏡子上鍍了超低損耗電介質(zhì)光學(xué)膜,300 萬個光子打在上面只會吸收一個光子。這些寶石般的鏡子通過0.4 mm粗的石英光纖被懸掛在上一級單擺上。
圖3 LIGO使用的鏡子的照片[5]
此外,除激光之外所有部件都安裝在超高真空中的震動隔離平臺上。在干涉臂1.2 m粗的管道中,氣壓保持小于1 μpa,以降低空氣瑞利散射產(chǎn)生的相位起伏。
所有這些技術(shù)措施加在一起,使得高新LIGO探測器可以測量到10-19 m,也即小于萬分之一個質(zhì)子的長度變化。在最靈敏的100 —300 Hz 頻段,應(yīng)變靈敏度達(dá)到前所未有的10-23/ √Hz ,使它能夠成功測量到GW150914 這個雙黑洞合并事件。
3、邁克耳孫干涉儀、激光器
馬克斯·普朗克引力物理研究所所長布魯斯·艾倫(Bruce Allen)在評論成功探測引力波這個突破時說[1]:“愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱無法探測,并且不相信黑洞的存在。不過,我不認(rèn)為他會介意自己弄錯了。”這個歷史過程確實(shí)非常有戲劇性。其實(shí),LIGO 探測器與愛因斯坦、相對論還有其他有趣的聯(lián)系。
前面講到,LIGO 探測器本質(zhì)上是一個邁克爾孫干涉儀。發(fā)明這種干涉儀的美國物理學(xué)家阿爾伯特·邁克爾孫和愛德華·莫雷在1887 年進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),試圖探測地球相對于“以太”的運(yùn)動。圖4 是其干涉儀裝置圖。19 世紀(jì)后期,科學(xué)家們認(rèn)為光在“以太”中傳播。由于地球以每秒30 km的速度圍繞太陽運(yùn)動,因此在一年當(dāng)中的大部分時刻,地球應(yīng)該與“以太”有相對運(yùn)動。兩個垂直方向的光速應(yīng)該有所不同,在干涉儀上表現(xiàn)為條紋的變化。但是,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是否定的。這個實(shí)驗(yàn)被稱為“ 史上最著名的失敗實(shí)驗(yàn)”,因?yàn)樗穸艘蕴碚?,促使愛因斯坦提出光速不變原?mdash;—狹義相對論的兩個基礎(chǔ)公設(shè)之一。愛因斯坦后來又在狹義相對論的基礎(chǔ)上提出了廣義相對論,而廣義相對論預(yù)言了引力波。因此,這個戲劇的情節(jié)鏈條是這樣的:一個原初版的邁克爾孫干涉儀促使了相對論的誕生,相對論預(yù)言了引力波,一個改良后的邁克爾孫干涉儀又證實(shí)了引力波的存在。愛因斯坦和我們都應(yīng)當(dāng)感謝這一種叫“邁克爾孫干涉儀”的測量儀器。
圖4 邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)中的干涉儀裝置(它固定在一塊石板上,石板浮動在水銀槽上)
更有意思的是,愛因斯坦除了預(yù)言引力波,其實(shí)也為探測引力波立下了汗馬功勞。
在邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)中,首先使用準(zhǔn)單色的鈉黃光來調(diào)節(jié)干涉儀至等臂長的位置,然后切換至白光進(jìn)行測量。因?yàn)?9 世紀(jì)沒有現(xiàn)代的技術(shù)手段,測量是靠人眼觀察來進(jìn)行的。白光產(chǎn)生的彩色干涉條紋相比單色光產(chǎn)生的條紋要容易分辨得多。但是,白光或者鈉黃光是無法用在現(xiàn)代的大型引力波探測器上的。一方面,這些光源空間上過于發(fā)散,經(jīng)過這么長干涉臂后只有很小一部分光能反射回來;另一方面,這些光源的相干性太差,對臂長差異忍受度低,而且無法進(jìn)行共振增強(qiáng)。引力波探測器都采用激光作為光源,因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角小,相干性好。而激光技術(shù)正是在愛因斯坦的受激發(fā)射理論基礎(chǔ)上發(fā)明發(fā)展起來的。意識到這一點(diǎn),是不是更加佩服愛因斯坦的偉大了。
目前高新LIGO 探測器上使用的激光器是波長為1064 nm 的摻Nd 固體激光器,它由一個小功率的種子激光器和兩個放大模塊組成[6,7],如圖5 所示。種子激光采用單塊晶體的非平面環(huán)形腔設(shè)計(jì),非常穩(wěn)定、小巧、可靠,可輸出2W功率的單縱模、單橫模激光。在經(jīng)過由4塊晶體棒組成的單程放大器后,功率可提高至35W。然后注入鎖定一個同樣有4 塊晶體的環(huán)形腔振蕩器, 獲得220 W 輸出。在這之后,激光系統(tǒng)還要通過兩次模式清理,獲得完美的高斯基模,穩(wěn)定功率,鎖定至高精度參考腔以穩(wěn)定波長,然后才被注入至干涉儀。這里采用的固體激光技術(shù)是LIGO建設(shè)階段最為成熟可靠的技術(shù),未來可以采用光纖激光技術(shù)簡化激光器系統(tǒng)[8,9]。激光系統(tǒng)中的放大器部分可以替換為兩級單模Yb光纖放大器,其增益介質(zhì)為細(xì)小的單模光纖,光在10 μm粗的纖芯中傳播。因?yàn)閱文9饫w已經(jīng)是完美的分布式空間濾波器,所以激光系統(tǒng)也就不再需要后面的模式清理腔了。
圖5 (a)激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[6];(b)非平面環(huán)形腔種子激光器;(c)LIGO 激光器平臺照片[5]
4、其他引力波探測器
在GW150914 事件中,引力波首先到達(dá)美國南部路易斯安那州的探測器,6.9 ms 后到達(dá)美國西北部華盛頓州的探測器。從這個時間差可以判斷引力波源在南天球,但是,再精確的定位就不可能了。LIGO關(guān)注的引力波的波長在3000 km量級,波源的定位能力決定于波的衍射,也就是波長除以探測器間距。這是兩個相同的LIGO 探測器建設(shè)在美國大陸兩端的原因(圖1)。但是這個間距還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。當(dāng)然,兩個或多個探測器聯(lián)合進(jìn)行測量,可以同時有效排除虛假信號的干擾,極大地提高測量的可信度。在高新LIGO 探測器之后,陸續(xù)還會有意大利的高新Virgo 和日本的KAGRA 完成。在首次探測到引力波的新聞發(fā)布之后,印度政府隨即通過了印度的LIGO 計(jì)劃。這些激光干涉裝置將組成一個大型的引力波探測器網(wǎng)絡(luò),聯(lián)合進(jìn)行引力波測量與定位。
另外,測量不同偏振態(tài)的引力波也是需要考慮的問題。像LIGO 這樣的L 字型激光干涉儀,因?yàn)榉轿唤堑年P(guān)系,總會有某個線偏振態(tài)是無法感應(yīng)的。在地球表面不同位置,布置不同方向的引力波探測器,可以解決這個問題。
歐盟的科學(xué)家還提出了一個所謂第三代地基引力波探測器,名字就叫作“愛因斯坦天文臺”(圖6),目前還在設(shè)計(jì)研究階段[10]。這個探測器將像日本的KAGRA一樣放置在地下,以此來降低引力梯度噪聲和震動噪聲,提高低頻端的靈敏度。所有鏡子將被冷卻至極低溫度,以降低中間頻段的熱噪聲。它由呈等邊三角形的三個臂組成,臂長為10 km,探測目標(biāo)在比LIGO 略低的頻段。
圖6 歐盟設(shè)計(jì)計(jì)劃中的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡[10]
為測量更低頻率的引力波信號,干涉儀的臂長需要進(jìn)一步增加,科學(xué)家們把視線望向了空間。激光干涉空間天線(laser interferometer space antenna,LISA)是歐空局提出的空間引力波探測計(jì)劃,中間經(jīng)歷了兩次修改,目前的設(shè)計(jì)稱為演化激光干涉空間天線(evolved laser lnterferometer space antenna,eLISA)(圖7)。eLISA 是由間隔100萬公里,呈近似等邊三角的3 個衛(wèi)星組成的一個巨型的激光干涉儀。由于它百萬公里的臂長,沒有地面的震動干擾,可探測0.1 mHz—1 Hz 頻段的豐富天體過程的引力波信號[11]。
圖7 演化的激光干涉空間天線[11]
我國由于空間技術(shù)的發(fā)展,對于空間激光干涉引力波探測表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣。目前,有兩組科學(xué)家提出了“太極”和“天琴”兩個空間激光干涉引力波探測計(jì)劃。其中“太極”計(jì)劃有兩個方案:一是參加歐空局的eLISA 雙邊合作計(jì)劃;二是在2033 年前后發(fā)射中國的引力波探測衛(wèi)星組,與預(yù)計(jì)2035 年發(fā)射的eLISA 互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)。“天琴”計(jì)劃則是由中國科學(xué)家主導(dǎo)的空間引力波探測計(jì)劃,與eLISA 和“太極”類似,只是它采用地球軌道。因此,“天琴”的技術(shù)難度略低,不過受地球重力場影響略大[12]。但是,“天琴”和“太極”計(jì)劃至今還都沒有跨過立項(xiàng)的門檻。
5、結(jié)束語與展望
愛因斯坦當(dāng)年認(rèn)為,自己預(yù)言的引力波太過微弱而無法探測,這是基于當(dāng)時技術(shù)條件合乎情理的判斷。技術(shù)的發(fā)展需要時間,而這100 年技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)年最聰明之人的想象了。愛因斯坦提出了受激發(fā)射理論,但是他也無法預(yù)測基于此理論發(fā)明、發(fā)展的激光技術(shù)會如此重要,在科研、國防、工業(yè)、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)等社會生活的方方面面得到廣泛應(yīng)用,也不會想到,基于自己理論發(fā)明的激光技術(shù)會在探測基于自己理論預(yù)言的引力波中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展有各自內(nèi)在的邏輯,但更重要的它們確實(shí)互相促進(jìn)。首次探測到引力波可以說主要是一項(xiàng)技術(shù)的突破,從此人類有了“傾聽”宇宙的能力。已有的、在建的、未來的地面、地下、空間激光干涉引力波探測器組成龐大的“助聽器網(wǎng)絡(luò)”,使得人類能夠分辨宇宙深處波瀾壯闊的樂章。探測到GW150914 引力波信號,只是一個新時代的開端??梢灶A(yù)見,隨著激光干涉引力波探測器靈敏度的進(jìn)一步提高,引力波天文學(xué)將極大地提升人類對宇宙的了解,并有可能帶來系列基礎(chǔ)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。
更為有趣的,有人把首次探測到引力波與1887 年赫茲成功探測到電磁波聯(lián)系起來。引力和電磁力都是長程力,可以遠(yuǎn)距離傳播和探測。當(dāng)年,赫茲在論文的結(jié)尾寫道,“我不認(rèn)為我發(fā)現(xiàn)的無線電磁波會有任何實(shí)際用途”。但是,我們都已經(jīng)了解,現(xiàn)代生活已經(jīng)離不開電磁波了。愛因斯坦當(dāng)年也不可能認(rèn)為引力波會有實(shí)際用途。引力波將首先被應(yīng)用到天文和宇宙學(xué)的研究上,它有沒有可能像電磁波一樣應(yīng)用于通信,應(yīng)用于星系尺度的長距離聯(lián)絡(luò)?雖然目前看起來匪夷所思,只可能存在于科幻小說中,但技術(shù)的發(fā)展常給人驚喜,誰知道未來會怎樣呢。
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