為探測更遙遠時空的引力波 歐洲迫切希望開建“愛因斯坦望遠鏡”

歐洲物理學家此前提出,希望建造一座全新的巨型引力波天文臺——愛因斯坦望遠鏡,以探測到更遙遠時空的引力波,最近這一計劃向前推進了一步。據美國《科學》雜誌網站近日報道,負責向歐洲各國政府提供研究諮詢的歐洲研究基礎設施戰略論壇(ESFRI)已將“身價”可能高達19億歐元的愛因斯坦望遠鏡新增到其大型科學專案路線圖中,科學家們希望此舉能促進愛因斯坦望遠鏡最終建成。

為探測更遙遠時空的引力波 歐洲迫切希望開建“愛因斯坦望遠鏡”

【愛因斯坦】

愛因斯坦望遠鏡聯合主席、德國漢諾威萊布尼茨大學和馬克斯·普朗克引力物理研究所引力波物理學家Harald Luck說:“這不是任何資金的承諾,但它表明了追求這一目標的明確意圖。

美國引力波物理學家對這一訊息表示歡迎,因其認為這可能會支援他們在宇宙探索者專案中建造比愛因斯坦望遠鏡更大的探測器計劃。“在美國,我認為這種勢頭將開始積聚。”美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)執行主任、加州理工學院物理學家David Reitze說。

當巨大的天體(如黑洞)彼此“共舞”併發生碰撞時,會在時空中產生“漣漪”——引力波。過去5年裡,科學家們已經發現了幾十對黑洞相互碰撞產生的引力波,以及中子星相互碰撞產生的引力波,並在最近首次證實觀察到了黑洞吞噬中子星產生的引力波。

為探測引力波,物理學家使用了巨大的L形光學裝置——干涉儀。美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)由分別位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個干涉儀組成,每個干涉儀的臂長達4公里。而位於歐洲的“室女座”(Virgo)引力波探測器的臂長為3公里。 LIGO和Virgo能夠探測到100多億光年外黑洞碰撞產生的引力波。

但科學家希望建造更大、更靈敏的引力波探測器。如果他們能將探測器的靈敏度提高10倍,就能探測到450億光年外可觀測宇宙邊緣處發生的黑洞合併。為達到這樣的靈敏度,美國科學家此前提出了建造“宇宙探索者”引力波探測器,其將由一個或多個L形干涉儀組成,每個干涉儀的臂長為40公里。而愛因斯坦望遠鏡將由一個等邊三角形組成,共擁有六個V形干涉儀,每個干涉儀的臂長為10公里。

美歐物理學家希望本世紀30年代中期開始建造這些探測器。義大利國家核物理研究所研究主任、愛因斯坦望遠鏡指導委員會聯席主席米歇爾·蓬圖羅說,被納入ESFRI的路線圖是愛因斯坦望遠鏡能夠最終建成的關鍵一步。

為探測更遙遠時空的引力波 歐洲迫切希望開建“愛因斯坦望遠鏡”

【美國鐳射干涉引力波天文臺】

據此前報道,美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)在完成對鐳射、反射鏡及其他部件的一系列升級後,於2019年4月1日恢復開機,啟動第三輪引力波探測。

LIGO官方網站釋出的新聞公告說,升級後的LIGO靈敏度比此前增加了約40%,可以擴大其對引力波的探測範圍,希望能探測到更多包括黑洞碰撞在內的引力波事件。升級後的LIGO還降低了量子噪聲水平。量子噪聲由光子的隨機波動引發,可能導致測量的不確定性,並且掩蓋微弱的引力波訊號。

據介紹,歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測器4月1日與LIGO同時啟動探測。升級後的Virgo靈敏度提高了一倍。

為探測更遙遠時空的引力波 歐洲迫切希望開建“愛因斯坦望遠鏡”

【歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測器】

LIGO探測器首席科學家彼得·弗裡奇埃爾表示,新啟動的第三輪引力波探測比以往的靈敏度大大增強,LIGO和Virgo在接下來的一年將共同探測,從已知的各種來源中發現更多引力波,也有望探測到新的引力波事件,比如中子星和黑洞碰撞所發出的引力波。

Virgo發言人、荷蘭國家亞原子物理研究所的約·範登布蘭德說,由於LIGO和Virgo的探測器靈敏度顯著提高,將可以對引力波源開展更精確測量。這將是人們進一步發展多信使天文學的重要一步。

引力波是一種“時空漣漪”,如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。LIGO的兩個探測器2015年探測到了由雙黑洞碰撞產生的引力波訊號,這是人類歷史上首次直接探測到引力波。此後,LIGO和Virgo又陸續探測到9次雙黑洞碰撞產生的引力波訊號。

2017年,多國科學家合作,第一次直接探測到來自兩顆中子星碰撞產生的引力波。雖然科學家認為宇宙中也會有中子星和黑洞發生碰撞,但這種碰撞產生的引力波至今還未被探測到。