对 引力波 的探测再次启动——这一次借助了量子力学的奇特特性。
三个大型探测器——美国的两个名为 LIGO，意大利的一个名为 Virgo——在经历了19个月的升级停机后，于4月1日正式恢复数据收集。部分得益于一种被称为光压缩的量子现象，这些机器不仅有望发现更多的引力波——时空中的涟漪，可以 揭示关于宇宙的大量信息——还能进行更详细的探测。研究人员希望观察到尚未探测到的事件，例如 超新星 或黑洞与中子星的合并。
本次运行将持续到明年三月，也标志着引力波天文学的研究方式发生了重大变化。LIGO和Virgo将首次公开、实时地发布引力波探测警报，以提示其他天文台——以及任何拥有望远镜的人——如何找到这些事件，以便他们可以使用从射电到空间X射线望远镜等传统技术进行研究。警报也将通过智能手机应用程序提供。“天文学家们真的非常渴望，”加州理工学院帕萨迪纳分校的物理学家、激光干涉引力波天文台（LIGO）主任David Reitze说，该天文台 在2015年首次历史性地探测到引力波。
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在之前的两次观测运行中，LIGO的双探测器发现了11个引力波信号，每个信号都来自史诗般的宇宙碰撞——10个来自 两个黑洞之间的合并。略小一些的 Virgo探测器于2017年加入网络，并为几次探测做出了重要贡献——特别是2017年首次观测到两颗中子星合并产生的引力波。来自该事件的数据帮助 天文学家解决了几个宇宙谜团。
Reitze说，升级后的网络应该能够探测到比之前运行更多的事件，从平均每月一次探测增加到每周约一次。这些事件中的大多数可能来自黑洞合并，但物理学家们渴望看到另一次 中子星碰撞。
增强的灵敏度
灵敏度的提高将使探测器能够更好地区分信号与恒定的背景噪声——从而为物理学家提供更多关于引力波的细节。这反过来可能允许对阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论进行精确的检验，该理论预测了引力波的存在。
澳大利亚墨尔本莫纳什大学的理论天体物理学家Ilya Mandel说，未来的探测应该揭示关于正在合并的黑洞的秘密，例如它们的自转速度和方向。“也许我们可以开始梳理出一些关于它们是否优先对齐的信息，”他说。
如果黑洞的旋转轴是平行的，那将表明它们有共同的起源，并且最初是两颗相互环绕的恒星。相反，随机对齐的自转意味着黑洞是分别形成的，然后才开始相互环绕。
升级使LIGO在路易斯安那州利文斯顿的机器的灵敏度提高了40%，这已经是灵敏度最高的探测器。2017年，技术障碍阻碍了位于华盛顿州汉福德的另一台LIGO干涉仪和Virgo，但它们现在已经部分赶上；特别是Virgo，大致将它可以探测事件的距离增加了一倍，Virgo的调试协调员、罗马国家核物理研究所的物理学家Alessio Rocchi说。
激光更新
灵敏度的提高主要来自天文台核心激光器的两项变化。
每个LIGO探测器都是一个L形真空系统，延伸超过两条4公里长的臂；靠近比萨的Virgo机器与之类似，但臂长为3公里。在内部，激光束在两端的镜子之间反射。当引力波纹穿过地球时，它们会导致激光器的长度发生微小的变化。
为了使信号更好地从噪声中脱颖而出，LIGO和Virgo的物理学家们提高了激光器的功率，并首次部署了一种称为“压缩光”的技术，该技术基于量子力学的一个奇特特性。
空旷的空间不断地涌动着基本粒子，这些粒子出现后瞬间又消失了。在引力波天文台中，这些随机波动导致激光束中的光子在不可预测的时间击中镜子。这一直是探测LIGO和Virgo中高频率或高音调的引力波的主要障碍。但物理学家可以利用压缩光来操纵这些波动，从而为他们所用——在这种情况下，通过将一些波动转移到较低频率来改善高频波的探测。
压缩光
几十年来，压缩光一直是量子光学实验室工具箱的标准组成部分，自2010年以来，它已在GEO600探测器上运行，GEO600探测器是LIGO的试验台，在德国汉诺威附近，臂长600米。那一年，一个团队首次在汉福德干涉仪上测试了压缩光。
这项技术尤其可以改善对双中子星合并或较小黑洞产生的引力波的探测。这是因为，当较轻的物体螺旋式地相互靠近时，它们在碰撞前以每秒高达500次的速度相互环绕，并且它们的引力波变得如此高音调，以至于超出了干涉仪的范围。更高的灵敏度可以使探测器跟踪这些物体直至它们最终的剧烈消亡。
世界各地的天文学家也在准备跟进引力波的探测，并使用传统技术——包括射电、光学和X射线天文台——检查相同的事件，这要归功于探测到引力波时将发出的公共警报。
当LIGO和Virgo探测到中子星合并时，天体物理学界首次尝到了这种“多信使” 天文学的滋味，当时世界各地的天文台对该事件进行了 后续观测。但在之前的运行中，想要进行此类后续观测的天文学家团队必须与LIGO-Virgo合作组织签署谅解备忘录才能接收机密警报；研究人员还必须遵守禁运期。从本次运行开始，情况将不再如此。“如果他们跟进并看到了对应物，他们可以做他们想做的事情。他们发表什么，或何时发表，都没有限制，”Reitze说。“这是一个很大的变化。”
与此同时， 日本新建的KAGRA引力波天文台 的研究人员正在加紧调整他们的探测器，以便及时在2020年初加入网络。拥有第四个探测器将特别有助于更精确地定位事件在天空中的位置。
本文经许可转载，并于2019年4月2日首次发表。