引力波探测器现在挤压光线以发现更多黑洞

引力波观测站，例如激光干涉引力波观测站 (LIGO)，是极其敏感的观测站。LIGO 的两个实验耳朵（一个在路易斯安那州，另一个在华盛顿州）用于监听黑洞和中子星等物体在时空中留下的涟漪。为此，LIGO 仔细观察数英里长的激光束中的微小波动。挑战在于，从隆隆作响的拖拉机到天气再到量子噪声，一切都可能造成干扰。引力波观测的很大一部分是清除不需要的噪声的科学。

现在，经过一轮升级，LIGO 的两个耳朵可以听到比以前多 60% 的事件。这在很大程度上要归功于一个通过挤压光线来纠正几乎察觉不到的量子噪声的系统。

几十年来，物理学家和工程师一直在实验室中研究光压缩现象，他们的工作正在取得切实成果。加州理工学院的物理学家李·麦卡勒说：“这不再是演示了。我们实际上正在使用它。”麦卡勒和他的同事将于 10 月 30 日在《物理评论 X》杂志上发表他们的研究成果。

引力波是广义相对论所预测的引力运作方式的一个奇特现象。就像一块下落的岩石在水中激起涟漪一样，足够壮观的事件——比如两个黑洞或两颗中子星合并——也会在时空结构中产生波纹。通过聆听这些引力波，天文学家可以窥视黑洞和中子星等难以清晰看到的巨大物体。科学家们之所以能做到这一点，要归功于 LIGO 这样的设备。

LIGO 的耳朵形状像一个大大的 L，臂长恰好为 4 公里（2.49 英里）。一束激光分成两束，分别沿着一条臂传播。这些光束从远端的镜子反射回来，然后返回顶点，在那里它们可以重新组合成一束。时空中的微小变化——引力波——可以微妙地拉伸和挤压每条臂，在重新组合的光束中刻画出图案。

长度变化非常微妙，微不足道，甚至无法用肉眼看到。当 LIGO 探测器容易受到地震、天气和人类活动的影响时，检测这种微小变化的任务变得更加棘手，所有这些都会产生噪音，使镜子震动或震动激光束。

物理学家已经开发出消除所有噪音的方法。他们可以将手臂置于真空中，没有其他物质，以阻止声波。他们可以悬挂镜子以隔离振动。他们可以测量外界的噪音并相应地调整仪器，就像一个非常大的降噪耳机。

但这些方法无法过滤掉量子物理。即使在完全真空中，宇宙在最小尺度上的固有随机性（粒子的出现和消失）也会留下痕迹。“测量水平的自然波动可能会掩盖微弱的引力波信号，”卡迪夫大学天体物理学家帕特里克·萨顿 (Patrick Sutton) 表示，他是 LIGO-Virgo 合作项目的成员，但不是这项新研究的作者。

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2016 年，LIGO 探测到了有史以来第一道确认的引力波。大约在同一时间，它的操作员正在思考如何消除量子扰动。物理学家可以通过将光困在晶体中并“挤压”它来操纵光。他们在两个 LIGO 探测器上安装了这样的晶体，以赶上天文台于 2019 年开始的第三轮探测。

升级后，LIGO 能够使用更高频率的激光。但这样压缩光线是有代价的：读取低频光线变得更加困难。这是有问题的，因为我们可以探测到的事件（例如黑洞合并）产生的引力波往往会在 LIGO 中产生大量低频光线。

因此，在 2020 年年中 COVID-19 迫使 LIGO 关闭后，其操作员在其压缩装置中增加了一个新的腔室。这个腔室允许采用更具适应性的方法，操纵不同频率的光的不同特性。为此，腔室必须捕获光 3 毫秒——足以让光传播数百英里。该腔室于今年早些时候 LIGO 第四次（当前）观测运行启动时开始运行。

麦卡勒说：“我们花了大量的工程和设计工作，并仔细思考，才得以升级，使其能够发挥作用，改善挤压效果，但不会产生新的噪音。”

现在，LIGO 的两个探测器都可以探测到来自宇宙深处和更广阔空间的引力波。据 Sutton 称，LIGO 现在探测到的事件增加了约 60% 到 70%。更高的灵敏度还使天文学家能够以更高的精度测量引力波，从而可以测试广义相对论。“这是一个重大飞跃，”Sutton 说。

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LIGO 位于欧洲的同类探测器 Virgo 也正在根据其科学家自己的研究成果实施同样的频率相关压缩。“我们目前还不知道有任何其他技术可以改进这一技术，”麦卡勒说。“就新技术而言，这是我们目前实际知道如何使用的最好的技术。”

到目前为止，我们观察到的所有引力波事件都来自两个黑洞或两颗中子星的出现：这些事件发出的声音很大，而且剧烈，会留下同样剧烈的溅射。但引力波监听者还希望利用引力波来监听其他事件，例如超新星、伽马射线爆发和脉冲星。我们还没有做到这一点，但挤压可能会让我们更接近目标，让我们充分利用现有的硬件。

“关键在于让探测器变得更加灵敏——将噪音越来越小——直到我们最终开始看到一些，”萨顿说。“我认为那将是非常令人兴奋的日子。”