來源：Medium

　　撰文：簡·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100公里長的環(huán)形加速器，因?yàn)楝F(xiàn)有的27公里長的加速器已經(jīng)無法解決該領(lǐng)域遺留的問題了。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。

　　物理學(xué)家在一個話題上研究得越久，所需要的測量儀器就越大，這似乎已經(jīng)成了某種自然法則。

　　就連在對引力波的搜尋中，科學(xué)家對更大、更好的儀器的盼望也再清楚不過。受五年前首次觀察到時空漣漪存在的證據(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，他們還準(zhǔn)備在地面上修建一系列新一代測量儀器。與這些儀器相比，LIGO天文臺兩臺4公里長的激光干涉儀將顯得相形見絀。

　　引力波是細(xì)小的時空漣漪，最早由愛因斯坦在1915年的廣義相對論中提出預(yù)測，并在2015年首次被人類證實(shí)。每當(dāng)太空中某處有大質(zhì)量物體加速移動時，如兩個黑洞相撞時，就會形成時空的振蕩。這個過程中釋放的振蕩會以光速向四面八方傳播開去，暢通無阻地滲透到整個宇宙的各個角落。在地球上，引力波可以用激光干涉儀進(jìn)行探測。干涉儀系統(tǒng)由兩條隧道構(gòu)成，每條長三至四公里，排成一個“L”型，激光束可以在其中來回反彈。如果有引力波擊中其中一條隧道，該隧道的長度就會以極小的幅度發(fā)生壓縮，導(dǎo)致在該隧道中傳播的激光束抵達(dá)末端的時間略短了一些。

　　而歐洲也想打造這樣一臺夢想中的探測器，稱其為“愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡”，簡稱為“ET”。據(jù)悉，它將由三條10公里長的探測臂構(gòu)成，在地下組成一個巨大的三角形。選址可能包括地中海中的撒丁島、以及由荷蘭、比利時和德國三國邊境構(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，這臺探測器對引力波的敏感度應(yīng)當(dāng)更甚于現(xiàn)有的探測器。愛因斯坦望遠(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)能探測到強(qiáng)度只有美國LIGO和意大利VIRGO探測能力十分之一的引力波。

　　萊布尼茲大學(xué)愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡指導(dǎo)小組聯(lián)合主席哈拉德·盧克指出，這能讓我們在太空中看得更深更遠(yuǎn)。目前，地面上的引力波觀測站探測到的信號主要來自10億光年之外。但科學(xué)家認(rèn)為，從某種意義上來說，這在宇宙中仍然只算“鄰近地區(qū)”，可觀測宇宙遠(yuǎn)比這大得多。

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

　　引力波的振幅會隨著傳播距離的增加而不斷減弱。因此，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡這樣的探測器可以探測到從宇宙中更遠(yuǎn)處傳來的信號。計(jì)算結(jié)果顯示，研究人員甚至能觀察到過去“黑暗時代”、即宇宙中尚無恒星形成時的情形。

　　愛因斯坦望遠(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，可以探測到更高頻率的引力波。探測帶寬增加了，探測結(jié)果想必也會更理想。

　　中等質(zhì)量黑洞

　　在2至3赫茲的超低頻率下，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡將尤為活躍。而現(xiàn)有的探測器是無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)量為太陽幾百倍的“中等質(zhì)量黑洞”合并時發(fā)出的信號。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探測器已經(jīng)對數(shù)十次黑洞合并展開了測量，這些黑洞質(zhì)量均只有太陽的幾十倍。盧克透露，“愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡能夠記錄到10萬次、甚至100萬次這樣的事件，事件發(fā)生的時間范圍也會很大。這能讓我們弄清楚，宇宙起源時的情況是否如同我們所想的那樣?！?/p>

　　愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡也許甚至能探測到宇宙變得透明前的引力波。目前，人類對早期宇宙的了解主要來自宇宙背景輻射。在宇宙大爆炸發(fā)生的38萬年后，輻射物質(zhì)混合物逐漸冷卻下來，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。因此自宇宙誕生以來、電磁波首次能夠暢通無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38萬年期間的情況。

　　愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡還將對中子星展開研究。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到的引力波，并且不僅是當(dāng)它們合并的時候，其余時間也可以。“中子星的旋轉(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)時便會產(chǎn)生引力波。

　　本世紀(jì)30年代開始測量

　　據(jù)研究人員估計(jì)，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡的造價約為19億歐元，比100公里長的粒子加速器便宜得多，據(jù)說只有后者的10分之一。盧克和同事們希望，這臺新引力波探測器的相關(guān)工作最早能于本世紀(jì)20年代末開始，并在30年代開始運(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)一間舊打印店的倉庫里，研究人員正在搭設(shè)一臺名叫“ET探路者”的小型原型設(shè)施，探測臂長20米?！斑@個長度太短了，無法探測到引力波?！毕柕陆忉尩?，“我們只是想測試各種能夠提升愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡敏感度的技術(shù)而已?！?/p>

　　希爾德舉了一個例子來說明其中的難度：“要想對引力波進(jìn)行測量，我們必須能探測到尺度在10-23 米上的相對變化。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，水面則會上升2×10^-19 米?！?/p>

　　這些數(shù)字說明，地球上的任何細(xì)微震動都會破壞對引力波的搜尋。畢竟，這樣的震動會導(dǎo)致干涉儀的鏡面發(fā)生位移，從而使光線的傳播時長有所改變，就像引力波壓縮鏡面之間空間造成的效果一樣。

　　對研究人員來說，就連原子的布朗運(yùn)動也是一個問題。為了減慢鏡子表面的熱運(yùn)動，科學(xué)家想將部分反射鏡的溫度降低到零下263攝氏度。不過在這樣的低溫下，合成玻璃的機(jī)械性能會受到破壞，干擾噪聲也會有所增加。希爾德的團(tuán)隊(duì)想用排列更加齊整的單晶硅解決這個問題。然而，對于常見的近紅外激光的波長來說，單晶硅并不透明，因此研究人員打算使用波長稍長一些的纖維激光。

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

　　就算馬斯特里赫特大學(xué)的這臺原型設(shè)施“僅用于”技術(shù)測試，“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，墻壁受到風(fēng)的推力，地板也會發(fā)生輕微的移動?！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年春季開始測試。

　　尋找最佳地點(diǎn)

　　愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡最終將建在何處、展開對引力波的搜尋，目前尚不清楚。但可以肯定的是，它一定會被建在地下。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)和交通的震動干擾也會小很多。根據(jù)地質(zhì)學(xué)與社會經(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、比利時與德國邊境交界處。

　　對許多德國物理學(xué)家來說，后一處地點(diǎn)或許更令他們滿意，盡管來得遲了些。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、而是在德國了。畢竟在上世紀(jì)70年代，是德國研究人員為后續(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，他們曾先后在慕尼黑和加興考察了建造引力波探測儀的可能性。1987年，該團(tuán)隊(duì)甚至給時任德國聯(lián)邦科研部長的海因茨·里森胡貝爾寫了一封信，提議修建一臺激光干涉儀。該設(shè)備設(shè)計(jì)有三條探測臂，每條長三公里。溫克勒還指出，物理學(xué)家們曾在1989年與英國科學(xué)家展開合作，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，這臺造價3億德國馬克的設(shè)備顯然是一筆不小的投資，這一項(xiàng)目在當(dāng)時本身也存在風(fēng)險。

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

　　地下的問題

　　“重大的科學(xué)項(xiàng)目總會有政治摻雜其中。愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡并不一定就會建在德國、荷蘭和比利時交界處，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，將這一項(xiàng)目加入論壇路線圖中。”盧克透露。這需要德國等各個國家在內(nèi)的支持。不過，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目尚未被加入到德國政府的研究計(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。但社會經(jīng)濟(jì)因素、比如該項(xiàng)目對涉及地區(qū)與國家的經(jīng)濟(jì)影響，也會在其中起到一定作用。當(dāng)然，政治利益、以及涉及國家的經(jīng)濟(jì)前景也需要納入考慮范圍之內(nèi)。

　　此外，愛因斯坦望遠(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)劃修建一臺名叫“宇宙探測者”的地面探測儀，包含兩條長40公里的地上探測臂，就像愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡一樣雄心勃勃。

　　有科學(xué)家指出，未來我們的探測器技術(shù)會更加先進(jìn)，尤其是在低頻引力波范圍內(nèi)，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡能夠進(jìn)行更加精確的觀測，也因此能觀察到宇宙更久遠(yuǎn)的‘黑暗時代’的情形。在理想情況下，如果上述兩臺儀器都能成功修建，然后在其它地方再建第三臺，“就可以非常精確地鎖定引力波在太空中的來源了?！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)目的觀測頻段與愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡不同，介于1至100毫赫茲之間，因此可以接收到其它來源發(fā)出的引力波?！袄纾梢蕴綔y到超大質(zhì)量黑洞的合并。由于下一代地面探測器與LISA觀測到的過程大相徑庭，研究人員認(rèn)為二者可以互相補(bǔ)充。

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