對 引力波 的探測再次啟動——這一次藉助了量子力學的奇特特性。
三個大型探測器——美國的兩個名為 LIGO，義大利的一個名為 Virgo——在經歷了19個月的升級停機後，於4月1日正式恢復資料收集。部分得益於一種被稱為光壓縮的量子現象，這些機器不僅有望發現更多的引力波——時空中的漣漪，可以 揭示關於宇宙的大量資訊——還能進行更詳細的探測。研究人員希望觀察到尚未探測到的事件，例如 超新星 或黑洞與中子星的合併。
本次執行將持續到明年三月，也標誌著引力波天文學的研究方式發生了重大變化。LIGO和Virgo將首次公開、即時地釋出引力波探測警報，以提示其他天文臺——以及任何擁有望遠鏡的人——如何找到這些事件，以便他們可以使用從射電到空間X射線望遠鏡等傳統技術進行研究。警報也將透過智慧手機應用程式提供。“天文學家們真的非常渴望，”加州理工學院帕薩迪納分校的物理學家、雷射干涉引力波天文臺（LIGO）主任David Reitze說，該天文臺 在2015年首次歷史性地探測到引力波。
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在之前的兩次觀測執行中，LIGO的雙探測器發現了11個引力波訊號，每個訊號都來自史詩般的宇宙碰撞——10個來自 兩個黑洞之間的合併。略小一些的 Virgo探測器於2017年加入網路，併為幾次探測做出了重要貢獻——特別是2017年首次觀測到兩顆中子星合併產生的引力波。來自該事件的資料幫助 天文學家解決了幾個宇宙謎團。
Reitze說，升級後的網路應該能夠探測到比之前執行更多的事件，從平均每月一次探測增加到每週約一次。這些事件中的大多數可能來自黑洞合併，但物理學家們渴望看到另一次 中子星碰撞。
增強的靈敏度
靈敏度的提高將使探測器能夠更好地區分訊號與恆定的背景噪聲——從而為物理學家提供更多關於引力波的細節。這反過來可能允許對阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論進行精確的檢驗，該理論預測了引力波的存在。
澳大利亞墨爾本莫納什大學的理論天體物理學家Ilya Mandel說，未來的探測應該揭示關於正在合併的黑洞的秘密，例如它們的自轉速度和方向。“也許我們可以開始梳理出一些關於它們是否優先對齊的資訊，”他說。
如果黑洞的旋轉軸是平行的，那將表明它們有共同的起源，並且最初是兩顆相互環繞的恆星。相反，隨機對齊的自轉意味著黑洞是分別形成的，然後才開始相互環繞。
升級使LIGO在路易斯安那州利文斯頓的機器的靈敏度提高了40%，這已經是靈敏度最高的探測器。2017年，技術障礙阻礙了位於華盛頓州漢福德的另一臺LIGO干涉儀和Virgo，但它們現在已經部分趕上；特別是Virgo，大致將它可以探測事件的距離增加了一倍，Virgo的除錯協調員、羅馬國家核物理研究所的物理學家Alessio Rocchi說。
雷射更新
靈敏度的提高主要來自天文臺核心雷射器的兩項變化。
每個LIGO探測器都是一個L形真空系統，延伸超過兩條4公里長的臂；靠近比薩的Virgo機器與之類似，但臂長為3公里。在內部，雷射束在兩端的鏡子之間反射。當引力波紋穿過地球時，它們會導致雷射器的長度發生微小的變化。
為了使訊號更好地從噪聲中脫穎而出，LIGO和Virgo的物理學家們提高了雷射器的功率，並首次部署了一種稱為“壓縮光”的技術，該技術基於量子力學的一個奇特特性。
空曠的空間不斷地湧動著基本粒子，這些粒子出現後瞬間又消失了。在引力波天文臺中，這些隨機波動導致雷射束中的光子在不可預測的時間擊中鏡子。這一直是探測LIGO和Virgo中高頻率或高音調的引力波的主要障礙。但物理學家可以利用壓縮光來操縱這些波動，從而為他們所用——在這種情況下，透過將一些波動轉移到較低頻率來改善高頻波的探測。
壓縮光
幾十年來，壓縮光一直是量子光學實驗室工具箱的標準組成部分，自2010年以來，它已在GEO600探測器上執行，GEO600探測器是LIGO的試驗檯，在德國漢諾威附近，臂長600米。那一年，一個團隊首次在漢福德干涉儀上測試了壓縮光。
這項技術尤其可以改善對雙中子星合併或較小黑洞產生的引力波的探測。這是因為，當較輕的物體螺旋式地相互靠近時，它們在碰撞前以每秒高達500次的速度相互環繞，並且它們的引力波變得如此高音調，以至於超出了干涉儀的範圍。更高的靈敏度可以使探測器跟蹤這些物體直至它們最終的劇烈消亡。
世界各地的天文學家也在準備跟進引力波的探測，並使用傳統技術——包括射電、光學和X射線天文臺——檢查相同的事件，這要歸功於探測到引力波時將發出的公共警報。
當LIGO和Virgo探測到中子星合併時，天體物理學界首次嚐到了這種“多信使” 天文學的滋味，當時世界各地的天文臺對該事件進行了 後續觀測。但在之前的執行中，想要進行此類後續觀測的天文學家團隊必須與LIGO-Virgo合作組織簽署諒解備忘錄才能接收機密警報；研究人員還必須遵守禁運期。從本次執行開始，情況將不再如此。“如果他們跟進並看到了對應物，他們可以做他們想做的事情。他們發表什麼，或何時發表，都沒有限制，”Reitze說。“這是一個很大的變化。”
與此同時， 日本新建的KAGRA引力波天文臺 的研究人員正在加緊調整他們的探測器，以便及時在2020年初加入網路。擁有第四個探測器將特別有助於更精確地定位事件在天空中的位置。
本文經許可轉載，並於2019年4月2日首次發表。