新光學技術助力，引力波探測能力大提升!

本月早些時候發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的一篇論文中，有一個物理學家團隊，是由加州大學河濱分校的喬納森·理查森領導的，他們展示了新的光學技術如何擴展像激光干涉引力波天文臺（簡稱LIGO）這樣的引力波天文臺的探測範圍，併爲未來的天文臺鋪平道路。

自2015年以來，像LIGO這樣的天文臺爲探索宇宙打開了一扇新的窗口。關於4千米長的LIGO探測器未來升級的計劃，以及建造下一代40千米長的天文臺——宇宙探索者（Cosmic Explorer），旨在將引力波探測範圍推進到宇宙歷史上最早的時期，即第一批恆星形成之前。然而，要實現這些計劃取決於能否達到超過1兆瓦的激光功率水平，這遠遠超出了LIGO目前的能力。

這篇研究論文報道了一項突破，能讓引力波探測器達到極高的激光功率。它提出了一種新的低噪聲、高分辨率自適應光學方法，這種方法能校正LIGO主要的40千克鏡片的變形，這種變形是因爲受熱，隨着激光功率增加而產生的，還會有一定限制。

理查森爲物理學和天文學助理教授，他在以下問答中解釋了這篇論文的研究成果：

引力波是一種觀測宇宙的新方式。它們是由廣義相對論方程所預測的。當宇宙中的大質量物體加速或碰撞時，時空結構的扭曲會像池塘裡的漣漪一樣以光速傳播開來。這些扭曲就是引力波，並且和電磁波一樣，它們攜帶能量和動量。現在，我們有大量信息，這些信息是關於產生引力波的極端天體物理對象（如黑洞）的，也是關於這些波傳播到我們這裡所經過的時空基本性質的物理學方面的。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）是世界上最大的科學設備之一。它由兩個4千米×4千米長的激光干涉儀組成。其中一個干涉儀位於華盛頓州內陸；另一個位於路易斯安那州巴吞魯日市外。這兩個站點一起運作，被動地監聽任何可能以引力波形式在地球中傳播的時空扭曲。

到目前爲止，LIGO已經觀測到大約200個恆星質量的緻密天體相互碰撞和合並的事件。絕大多數是兩個黑洞的合併，但我們也觀測到了中子星的合併。我希望有一天我們能探測到一些完全出乎意料和未被預測到的來源。如果你回顧天文學的歷史，每次我們研製出能夠觀測到前所未有的不同波長的光的電磁望遠鏡時，我們都會以一種全新的視角看待宇宙，並且幾乎總是能發現在那個波段可見而在其他波段不可見的新型天體。我希望引力波也是如此。

我在加州大學河濱分校（UCR）專注於開發新型的激光自適應光學技術，以克服在提高像LIGO這樣的探測器靈敏度方面非常基本的物理限制。在我們從地面能看到的大部分引力波信號頻率中，幾乎所有頻率的靈敏度都受到量子力學的限制，受到我們在干涉儀中用於從反射鏡反射的激光本身量子特性的限制。我們實驗室研發的儀器旨在直接對LIGO干涉儀的主反射鏡進行精確的光學校正。我們的儀器被設計放置在這些反射鏡反射面之前僅幾釐米處，並將極低噪聲的校正紅外輻射投射到反射鏡的前表面。這是一種全新方法的首個原型，它採用非成像光學原理，此前從未在引力波探測中使用過。

“宇宙探索者”是美國繼LIGO之後的下一代引力波天文臺的構想。它的規模會是LIGO的10倍，也就是干涉儀臂長爲40千米乘40千米。它將成爲有史以來建造的最大的科學儀器。按照設計靈敏度，這些探測器將能看到比人們認爲的第一批恆星形成更早時候的宇宙，那時宇宙年齡約爲現在140億年的0.1%。我們將能夠看到宇宙早期的一個快照。

該論文表明，高精度的光學校正，對拓寬我們從引力波角度看宇宙的視野來說，是非常重要的。它闡述了我們期望新技術在下一代LIGO以及之後的時間裡可能產生的影響。重要的是，論文顯示這種技術對於讓LIGO探測器中的循環激光功率達到比以往高得多的水平來說，是必要且足夠的。我們期望這項技術及其未來的版本能夠在干涉儀中實現更高的功率。

這項研究有希望回答物理學和宇宙學裡一些最深奧的問題，例如宇宙膨脹的速度有多快以及黑洞的真實本質。目前關於宇宙局部膨脹率有兩種相互矛盾的測量結果，引力波有可能解決這個問題。引力波還將對黑洞事件視界周圍的詳細動力學提供極高精度的測量，使我們能夠對經典廣義相對論和其他理論進行直接檢驗。