引力波——由黑洞合并、中子星碰撞、超新星爆发和其他宇宙灾难产生的时空涟漪——引发了天体物理学的一场革命。在爱因斯坦预测其存在一个世纪后，于 2015 年首次观测到，这些难以捉摸的现实结构中的低语，已经揭示了产生它们的奇异物体的其他隐藏细节。对引力波的研究为研究人员提供了黑洞存在的首个直接证据，对宇宙膨胀率进行了新的估计，并表明中子星是宇宙中黄金、铂和其他重元素的主要来源。最终，它们可能使研究人员能够瞥见宇宙在大爆炸后最初几分之一秒时的样子。
这个充满希望的未来的前沿可以在一个黑暗隧道的地下综合体中找到。在那里，在日本中部岐阜县的池野山地下 200 多米处，一个由国际科学家、工程师和技术人员组成的团队正在完成近十年的稳步建设，准备好神冈引力波探测器 (KAGRA) 在今年年底开始运行。很快，KAGRA 将加入世界其他三个活跃的引力波探测器的行列——位于美国境内的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的双站，分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿，以及位于意大利比萨附近的先进 Virgo 设施。KAGRA 在日本的地理位置以及相对于 LIGO 和 Virgo 的方向将独立检查并增强这些探测器的观测结果，使研究人员能够更好地测量合并黑洞和中子星的方向和自旋。
屏蔽振动（左）
一名技术人员蹲在 KAGRA 抛光蓝宝石镜片之一的 14 米高隔振系统的最上部。这种系统是必要的外部噪声屏蔽，允许探测到经过的引力波的微小信号——镜片的位移为质子宽度的千分之一。
镜子，镜子（右）
安装在 KAGRA 低温系统之前，保持镜子就位的精密装置的视图。蓝宝石镜片固定在最底层的圆柱形腔室内，由四根细蓝宝石纤维悬挂。其余三个垂直级包含用于隔离镜片组件免受地震噪声影响的组件，并采用各种可以承受 KAGRA 极低工作温度的材料制造。
图片来源：恩里科·萨凯蒂（左）；东京大学宇宙射线研究所（右）
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总而言之，这四个探测器将达到新的灵敏度和精度高度，找到比以往任何时候都更微弱的引力波事件，并以前所未有的精度精确定位它们的宇宙坐标，以便与传统望远镜进行后续观测。这里精选的照片捕捉了 KAGRA 在天空释放之前的一些最后的技术准备工作。
为了寻找引力波，KAGRA 依赖于 LIGO 和 Virgo 使用的相同方法，一种称为激光干涉测量法的技术。在这种方法中，激光束在悬挂在两条管道状真空室末端的镜子之间反射。腔室长达几公里，彼此垂直定向，形成一个巨大的 L 形。激光充当测量尺，揭示何时经过的引力波短暂地拉伸和收缩时空，从而改变腔室的长度（以及光束传播的总距离）。这种扰动是难以置信的微小，远小于单个质子的直径——这意味着每个设施都必须以某种方式解释或抑制几乎无数种污染噪声，从地震和潮汐的巨大地震运动，到头顶飞机、过往汽车、附近野生动物甚至镜子抖动原子引起的较柔和的振动。区分合法的引力波信号和噪声引起的“故障”几乎是一项压倒性的任务——并且这项任务导致了许多误报与 LIGO 和 Virgo 迄今为止合作宣布的数十项真实探测混合在一起。
紧密光束（左）
为了确保 KAGRA 的激光能够准确地记录引力波引起的镜片的几乎无法察觉的变形，科学家必须精确控制激光束的位置和亮度。这需要将激光馈入有效望远镜（此处显示），该望远镜与另一个隔振装置配合并安装在真空容器内。
保持低温（右）
一名技术人员在镜片悬挂系统安装到 KAGRA 低温容器内之前对其进行检查。一旦进入内部，镜片及其安装座将被冷却到接近绝对零度——所有这些努力都是为了最大限度地减少其组成原子的热振动，从而可以看到更微弱的引力波信号。 LIGO 和 Virgo 的镜片保持在室温；KAGRA 的镜片将保持在零上 20 度的低温。
图片来源：恩里科·萨凯蒂（左）； 罗汉·梅赫拉（右）
KAGRA 深埋在山下，将是第一个完全在地下建造和运行的大型激光干涉仪，远离地面背景噪声的喧嚣。它也是第一个使用低温冷却镜片的干涉仪——每个镜片都是抛光的 23 公斤蓝宝石晶体圆柱体——可以显着减少热振动并相应地提高灵敏度。LIGO 和 Virgo 的镜片保持在室温；KAGRA 的镜片将保持在零上 20 度的低温。
指挥中心
KAGRA 的所有仪器都在地面的这个房间内控制，距离地下洞穴入口有 10 分钟车程。一面墙上安装的六个大型屏幕显示了 KAGRA 站点的温度、湿度和运行状况，房间右侧墙壁上的较小屏幕显示了激光束穿过真空隧道的快照，以及整个日本的地震活动信息。
图片来源：恩里科·萨凯蒂
尽管这两项进步原则上可以使 KAGRA 找到比 LIGO 或 Virgo 更微弱的引力波源，但它们并非没有缺点：机械冷却器使激光照射的镜片保持低温，但也向测量中引入了它们自身的振动噪声，来自雨水和融雪的水经常渗入 KAGRA 的隧道，迫使工作人员安装塑料布以保护精密设备。即使有保护措施，潮湿也可能会在一年中最潮湿的时期暂停运行。
如果一切按计划进行，KAGRA 不仅将帮助取得更多重大发现，还将展示下一代全球更先进的引力波天文台可能使用的新技术。