引力波——由黑洞合併、中子星碰撞、超新星爆發和其他宇宙災難產生的時空漣漪——引發了天體物理學的一場革命。在愛因斯坦預測其存在一個世紀後，於 2015 年首次觀測到，這些難以捉摸的現實結構中的低語，已經揭示了產生它們的奇異物體的其他隱藏細節。對引力波的研究為研究人員提供了黑洞存在的首個直接證據，對宇宙膨脹率進行了新的估計，並表明中子星是宇宙中黃金、鉑和其他重元素的主要來源。最終，它們可能使研究人員能夠瞥見宇宙在大爆炸後最初幾分之一秒時的樣子。
這個充滿希望的未來的前沿可以在一個黑暗隧道的地下綜合體中找到。在那裡，在日本中部岐阜縣的池野山地下 200 多米處，一個由國際科學家、工程師和技術人員組成的團隊正在完成近十年的穩步建設，準備好神岡引力波探測器 (KAGRA) 在今年年底開始執行。很快，KAGRA 將加入世界其他三個活躍的引力波探測器的行列——位於美國境內的雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 的雙站，分別位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓，以及位於義大利比薩附近的先進 Virgo 設施。KAGRA 在日本的地理位置以及相對於 LIGO 和 Virgo 的方向將獨立檢查並增強這些探測器的觀測結果，使研究人員能夠更好地測量合併黑洞和中子星的方向和自旋。
遮蔽振動（左）
一名技術人員蹲在 KAGRA 拋光藍寶石鏡片之一的 14 米高隔振系統的最上部。這種系統是必要的外部噪聲遮蔽，允許探測到經過的引力波的微小訊號——鏡片的位移為質子寬度的千分之一。
鏡子，鏡子（右）
安裝在 KAGRA 低溫系統之前，保持鏡子就位的精密裝置的檢視。藍寶石鏡片固定在最底層的圓柱形腔室內，由四根細藍寶石纖維懸掛。其餘三個垂直級包含用於隔離鏡片元件免受地震噪聲影響的元件，並採用各種可以承受 KAGRA 極低工作溫度的材料製造。
圖片來源：恩里科·薩凱蒂（左）；東京大學宇宙射線研究所（右）
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總而言之，這四個探測器將達到新的靈敏度和精度高度，找到比以往任何時候都更微弱的引力波事件，並以前所未有的精度精確定位它們的宇宙座標，以便與傳統望遠鏡進行後續觀測。這裡精選的照片捕捉了 KAGRA 在天空釋放之前的一些最後的技術準備工作。
為了尋找引力波，KAGRA 依賴於 LIGO 和 Virgo 使用的相同方法，一種稱為雷射干涉測量法的技術。在這種方法中，雷射束在懸掛在兩條管道狀真空室末端的鏡子之間反射。腔室長達幾公里，彼此垂直定向，形成一個巨大的 L 形。雷射充當測量尺，揭示何時經過的引力波短暫地拉伸和收縮時空，從而改變腔室的長度（以及光束傳播的總距離）。這種擾動是難以置信的微小，遠小於單個質子的直徑——這意味著每個設施都必須以某種方式解釋或抑制幾乎無數種汙染噪聲，從地震和潮汐的巨大地震運動，到頭頂飛機、過往汽車、附近野生動物甚至鏡子抖動原子引起的較柔和的振動。區分合法的引力波訊號和噪聲引起的“故障”幾乎是一項壓倒性的任務——並且這項任務導致了許多誤報與 LIGO 和 Virgo 迄今為止合作宣佈的數十項真實探測混合在一起。
緊密光束（左）
為了確保 KAGRA 的雷射能夠準確地記錄引力波引起的鏡片的幾乎無法察覺的變形，科學家必須精確控制雷射束的位置和亮度。這需要將雷射饋入有效望遠鏡（此處顯示），該望遠鏡與另一個隔振裝置配合並安裝在真空容器內。
保持低溫（右）
一名技術人員在鏡片懸掛系統安裝到 KAGRA 低溫容器內之前對其進行檢查。一旦進入內部，鏡片及其安裝座將被冷卻到接近絕對零度——所有這些努力都是為了最大限度地減少其組成原子的熱振動，從而可以看到更微弱的引力波訊號。 LIGO 和 Virgo 的鏡片保持在室溫；KAGRA 的鏡片將保持在零上 20 度的低溫。
圖片來源：恩里科·薩凱蒂（左）； 羅漢·梅赫拉（右）
KAGRA 深埋在山下，將是第一個完全在地下建造和執行的大型雷射干涉儀，遠離地面背景噪聲的喧囂。它也是第一個使用低溫冷卻鏡片的干涉儀——每個鏡片都是拋光的 23 公斤藍寶石晶體圓柱體——可以顯著減少熱振動並相應地提高靈敏度。LIGO 和 Virgo 的鏡片保持在室溫；KAGRA 的鏡片將保持在零上 20 度的低溫。
指揮中心
KAGRA 的所有儀器都在地面的這個房間內控制，距離地下洞穴入口有 10 分鐘車程。一面牆上安裝的六個大型螢幕顯示了 KAGRA 站點的溫度、溼度和執行狀況，房間右側牆壁上的較小螢幕顯示了雷射束穿過真空隧道的快照，以及整個日本的地震活動資訊。
圖片來源：恩里科·薩凱蒂
儘管這兩項進步原則上可以使 KAGRA 找到比 LIGO 或 Virgo 更微弱的引力波源，但它們並非沒有缺點：機械冷卻器使雷射照射的鏡片保持低溫，但也向測量中引入了它們自身的振動噪聲，來自雨水和融雪的水經常滲入 KAGRA 的隧道，迫使工作人員安裝塑膠布以保護精密裝置。即使有保護措施，潮溼也可能會在一年中最潮溼的時期暫停執行。
如果一切按計劃進行，KAGRA 不僅將幫助取得更多重大發現，還將展示下一代全球更先進的引力波天文臺可能使用的新技術。