新設備助力LIGO，探測1300萬光年外引力波

激光干涉引力波天文臺（LIGO）是探測引力波最強大的科學儀器之一。它佔地16平方公里，也是世界上最大的科學設施之一。

然而，有一些因素阻礙這個巨大的儀器充分發揮其潛力。

目前，LIGO的激光功率初始爲200瓦，經過最大程度的放大後，可達到750千瓦——但這還不夠。科學家稱，LIGO的激光必須超過1兆瓦才能達到理想的效果。

一項研究的作者指出：“要想在時空應變方面實現更高的量子噪聲受限靈敏度，關鍵在於實現更高的循環激光功率（超過1兆瓦），同時結合高度壓縮的光量子態。”

到目前爲止，還沒有辦法實現這一點，但一項新的研究提出了一種光學設備原型，有望提升激光干涉引力波天文臺（LIGO）的激光功率到前所未有的水平。研究人員表示：“我們展示了新的自適應光學技術在拓展引力波天文臺探測範圍方面的潛力。”

新開發的原型採用了從未應用於探測引力波的非成像光學原理。

非成像光學原理是一種操控光線但不形成傳統圖像的光學技術，這與相機和望遠鏡中使用的透鏡或反射鏡不同。它們通常用於控制光分佈、光束形狀或能量傳遞，而不是專注於成像分辨率。

研究人員開發的儀器利用這些技術直接對激光干涉引力波天文臺（LIGO）的主鏡進行精確的光學校正。它被放置在鏡子表面前方僅幾釐米處，在那裡它投射超低噪聲的紅外輻射以提高性能。

研究人員通過對下一代激光干涉引力波天文臺A+（LIGO A+）進行模擬來測試他們儀器的性能。他們假設系統使用125瓦的激光和一種特殊的9分貝級別的量子降噪技術運行。

他們的結果表明，這項新技術可將探測器在200赫茲到5千赫茲頻率範圍內的背景噪聲降低多達20%。這意味着激光干涉引力波天文臺將能夠探測到引力波，甚至是來自比以前遠約4百萬秒差距（約1300萬光年）的合併中子星的引力波。

新方法並非僅限於激光干涉引力波天文臺（LIGO）

美國還計劃製造一個規模是LIGO的10倍的引力波探測器。擬建的天文臺名爲宇宙探索者（the Cosmic Explorer），如果一切按計劃進行，它將在21世紀30年代投入使用。

這項40×40千米的設施能讓我們看到比人們認爲第一批恆星形成時更早的宇宙，那時宇宙年齡約爲現在140億年的0.1%，研究作者表示。

然而，宇宙探索者（Cosmic Explorer）也將需要比LIGO強大得多的激光，而這正是提出的光學技術能發揮重要作用之處。

它也許能給“宇宙探索者”提供深入探究宇宙未解之謎所需的全部激光能量呢。

研究作者還補充說，除了能讓我們探測到引力波以外，“這項研究有望解答物理學和宇宙學裡一些特別深奧的問題，像宇宙膨脹得有多快呀，黑洞的本質是啥呀之類的”。

這項研究發表在《物理評論快報》雜誌上。