下一代引力波捕捉器:有望揭示更多宇宙秘密

最近，欧洲科学家将拟议中的爱因斯坦望远镜(ET)纳入了欧洲研究基础设施战略论坛(ESFRI)的路线图。欧洲科学研究基金会在欧洲研究基础设施的决策中发挥着关键作用。目前，ET的设计已经得到了欧盟委员会和全欧洲约40家研究机构和大学联盟的支持。

据物理学家组织网9月15日报道，计划中的ET是一种地基引力波探测器，它将能够发现更多的黑洞和中子星合并事件，从而检验爱因斯坦的广义相对论，使引力波天文学更加精确。

除了ET，美国的激光干涉仪引力波观测台(LIGO)正在升级；日本和印度的引力波探测器建设也在如火如荼地进行。

英国克莱德大学生物医学工程系系主任、ET光学联合主席斯图尔特里德(Stewart Reid)教授说：“未来的引力波观测站，如ET，有望帮助研究人员发现更多的黑洞和中子星，这样我们就可以更好地描述宇宙是如何膨胀的，并观察新的事件。”

引力波领域仍有大量未解之谜

中国国家天文台研究员张成敏告诉记者：“引力波是一种‘时空波纹’，类似于石头扔进水中产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞合并时会产生引力波。”

“引力波和其他波一样，携带能量和信息。电磁波(宇宙微波背景辐射)只能让我们看到大爆炸后38万年的景象，而引力波可以让我们回望大爆炸的初始时刻，检验大爆炸理论是否正确，这是人类认识宇宙的全新窗口，”张承市民进一步解释道。

2015年9月，LIGO探测到双黑洞组合产生的引力波信号，这是人类历史上首次直接探测到引力波。这一发现证实了100年前物理大师爱因斯坦的预言。

2020年9月2日，LIGO和欧洲“处女座”引力波探测器联合宣布，探测到了两个质量分别是太阳85倍和65倍的恒星黑洞合并产生的引力波。这两个黑洞合并形成质量是太阳质量142倍的黑洞，质量是太阳质量8倍的碰撞释放的能量以引力波的形式分散在宇宙中，被上面两个引力波“捕捉器”捕捉到。

新发现的黑洞质量是太阳的142倍，是迄今为止发现的第一个“中等质量”黑洞。科学家们以前从未发现过质量是太阳100到1000倍的黑洞。

该研究报告的合著者、意大利帕多瓦大学的天体物理学家、“处女座”小组成员米凯拉说：“这是黑洞在这个质量范围内的第一个证据，这可能会导致黑洞天体物理学的范式转变。”

张成敏说：“这次探索也证明了宇宙中还有很多未知的东西。”。

多款下一代探测器将上线

为了进一步揭示宇宙的奥秘，科学家们需要新一代引力波望远镜。

张成敏说：“外星人将使科学家能够探测到整个宇宙中两个中等质量黑洞的合并，并有助于理解其演化。”。

根据张成敏的说法，外星人地下探测器将由六个V形干涉仪组成，它们排列成等边三角形，每边长10公里。该望远镜将使用激光来测量大规模和剧烈的天体物理事件引起的空间和时间的拉伸和压缩。

据物理学家组织网报道，ET有望在30年代中期走马上任。科学家目前正在评估两个建筑工地，预计未来五年内将确定建筑工地。

里德说：“ET独特的三角形形状将通过天体物理信号提供更多信息；更好地定位天空中引力波的来源，通过在强引力场中检验爱因斯坦的引力理论，促进科学家对物质和引力行为的认识。

此外，其他引力波探测器正在升级和建造中。

根据英国的一份报告

格拉斯哥大学的物理学家肯斯特恩说，如果一切按计划进行，LIGO将能够在距离地球3.25亿秒(约10亿光年)内发现中子星合并事件。与ALIGO升级前的设计检测精度(1.73亿秒)相比，此次升级几乎将LIGO的检测精度提高了一倍。诺贝尔奖得主、前LIGO导演巴里巴里什(Barry barish)表示，这次升级不仅会提高探测频率，还会提高观测质量。比如降低噪音，会让研究人员了解黑洞在合并前是如何自转的，这将为研究黑洞的历史提供线索。

张成敏补充道：“下一代引力波探测器还包括欧洲的激光干涉仪空间天线(LISA)项目。LISA由三个卫星激光干涉探测器组成，旨在探测超大质量黑洞的低频引力波信号。LISA在2015年发射了关键技术卫星，预计2034年将发射三颗卫星，形成边长几百万公里的等边三角形星座。

由诺贝尔奖获得者梶田隆章指挥的日本“KAGRA引力波探测器”(KAGRA)于2010年正式启动。建造成本约150亿日元，由两个3公里长的激光干涉臂组成。中国的清华大学和北京师范大学也是KAGRA的合作伙伴。无独有偶，之前LIGO实验室和印度引力波物理界达成协议，计划向印度运送部分LIGO实验设备，在印度建设LIGO-印度引力波观测站，预计2025年后投入运营。

中国引力波探测如火如荼

我国的引力波探测活动也在如火如荼地进行着。

张成敏说：“中国正在进行三个引力波探测项目：两个空间项目和一个地面项目，分别是中国科学院推动的太极项目、中山大学领导的秦天项目和中国科学院高能研究所领导的阿里项目。”。

张承市民进一步介绍说，“太极”和“秦天”类似于LISA项目。太极和秦天的干涉臂分别为几十万公里和17万公里，要探测的引力波频率在LIGO和LISA之间。“太极”和“秦天”可以探测到双白矮星的合并和质量是太阳几万倍的大黑洞的合并，扩大了LISA的低频引力波探测波段；然而，LIGO探测到了由恒星质量的黑洞和中子星合并产生的高频引力波。

“太极一号”和“秦天一号”卫星分别于2019年8月31日和2019年12月20日成功发射，目前正在进行空间引力波探测器的两项精密技术，即空间惯性基准和激光干涉测距的初步技术验证、测试和开发。

与美国物理学家合作开展的中国地面引力波项目“阿里项目”，于2016年正式启动。它建于西藏阿里地区，海拔5100米，旨在探测宇宙原始引力波。目前进展顺利，预计2022年后投入早期实验观测。

有望揭示更多宇宙奥秘

张成敏说：“在可预见的未来，如此多的引力波探测器将会上线，这将有助于科学家进一步揭示宇宙的奥秘。”。

“ET的准确率会比LIGO高；“LISA将开启一个理解宇宙中超级大质量黑洞的新时代，”张成敏强调。

对此，张承市民进一步解释说，首先，我们可以期待得到更多的黑洞-黑洞合并、黑洞-中子星合并、中子星-中子星合并，这大大丰富了人类对宇宙的认知视野；其次，探测精度的提高可以测量黑洞的自旋，拓展了我们对黑洞的更新认识；再次，太阳质量在几百到几百万倍的中型黑洞和超大黑洞也是预期目标。这些测量可能刷新人类对全新宇宙家园的理解；最后，新的大型科学探索装置的投资也可能带来完全意想不到的新发现。

张成敏指出：“人类对宇宙的量化探索毕竟还处于探索阶段。面对138亿年浩瀚而漫长的宇宙，人类只花了几百万年，而科学探索只持续了几百年。我们常常无知地认为人类是宇宙中最伟大的生命。然而，正如爱因斯坦所说，宇宙就像一个无限延伸的球。越走越远，遇到的问题越多。

引力波探测装置的蓬勃发展，很快就会给人们呈现一个奇妙的宇宙交响乐篇章，让我们一窥宇宙的浩瀚与神秘。