引力波探测器LIGO经过3年的升级重新上线

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位于华盛顿州汉福德的LIGO探测器使用激光来测量由引力波引起的微小空间拉伸。资料来源：LIGO实验室

经过三年的中断，美国科学家刚刚打开了能够测量引力波的探测器 - 太空本身在宇宙中传播的微小涟漪。

与光波不同，引力波几乎不受充满宇宙的星系、恒星、气体和尘埃的阻碍。这意味着通过测量引力波，像我这样的天体物理学家可以直接窥视宇宙中一些最壮观现象的核心。

自 2020 年以来，激光干涉引力波天文台（俗称 LIGO）在进行一些令人兴奋的升级时一直处于休眠状态。这些改进将显着提高LIGO的灵敏度，并允许该设施观察在时空中产生较小涟漪的更远的物体。

通过探测更多产生引力波的事件，天文学家将有更多机会观察这些相同事件产生的光。通过多种信息渠道观察事件，一种称为多信使天文学的方法，为天文学家提供了罕见和令人垂涎的机会来学习物理学，远远超出了任何实验室测试的范围。

时空涟漪

根据爱因斯坦的广义相对论，质量和能量扭曲了空间和时间的形状。时空的弯曲决定了物体如何彼此相对地移动——人们所经历的重力。

引力波是在黑洞或中子星等大质量物体相互融合时产生的，在空间中产生突然的巨大变化。空间扭曲和弯曲的过程在整个宇宙中产生涟漪，就像波浪穿过静止的池塘一样。这些波从扰动向各个方向传播，当它们这样做时，会微小地弯曲空间，并且会稍微改变沿途物体之间的距离。

尽管产生引力波的天文事件涉及宇宙中一些质量最大的物体，但空间的拉伸和收缩却是无限小的。穿过银河系的强引力波可能只会改变整个星系的直径三英尺（一米）。 当两个大质量物体（如黑洞或中子星）靠得很近时，它们会迅速相互旋转并产生引力波。NASA可视化中的声音代表了引力波的频率。

第一次引力波观测

虽然爱因斯坦在1916年首次预言，但那个时代的科学家几乎没有希望测量引力波理论假设的距离的微小变化。

大约在2000年，加州理工学院、麻省理工学院和世界各地其他大学的科学家完成了有史以来最精确的标尺——LIGO天文台的建造。

LIGO由两个独立的天文台组成，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个天文台的形状像一个巨大的L，有两个2.5英里长（四公里长）的臂从设施中心相互延伸90度。

为了测量引力波，研究人员将激光从设施的中心照射到L的底部。在那里，激光被分裂，以便光束沿着每个手臂传播，从镜子反射并返回底座。如果引力波在激光照射时穿过手臂，两束光束将在稍微不同的时间返回中心。通过测量这种差异，物理学家可以辨别出引力波穿过该设施。

LIGO在2000年代初开始运行，但它不够灵敏，无法探测引力波。因此，在2010年，LIGO团队暂时关闭了该设施，以进行升级以提高灵敏度。升级版的LIGO于2015年开始收集数据，几乎立即探测到两个黑洞合并产生的引力波。

自2015年以来，LIGO已经完成了三次观测运行。第一次运行O1，持续了大约四个月;第二个，O2，大约九个月;第三个是 O3，在 COVID-19 大流行迫使设施关闭之前运行了 11 个月。从运行O2开始，LIGO一直与一个名为Virgo的意大利天文台联合观测。

在每次运行之间，科学家们改进了探测器的物理组件和数据分析方法。到2020年3月运行O3结束时，LIGO和Virgo合作的研究人员已经探测到大约90个来自黑洞和中子星合并的引力波。

天文台尚未达到其最大的设计灵敏度。因此，在2020年，两个天文台再次关闭进行升级。

天文学家已经捕捉到了引力波和光，这是两个中子星的合并。在右上角的插图中可以看到几天内光线的变化。图片来源：哈勃太空望远镜、美国宇航局和欧空局

进行一些升级

科学家们一直致力于许多技术改进。

一个特别有希望的升级涉及增加一个1000英尺（300米）的光学腔，以改进一种称为挤压的技术。挤压使科学家能够利用光的量子特性降低探测器噪声。通过这次升级，LIGO团队应该能够探测到比以前弱得多的引力波。

我和我的队友是LIGO合作的数据科学家，我们一直在对用于处理LIGO数据的软件以及识别数据中引力波迹象的算法进行许多不同的升级。这些算法通过搜索与数百万种可能的黑洞和中子星合并事件的理论模型相匹配的模式来发挥作用。与以前版本的算法相比，改进后的算法应该能够更容易地从数据中的背景噪声中挑选出引力波的微弱迹象。

天文学的高清时代

2023年5月初，LIGO开始了一次短期测试，称为工程运行，以确保一切正常。5月18日，LIGO探测到引力波可能是由中子星合并成黑洞产生的。

LIGO为期20个月的观测运行04将于5月24日正式开始，稍后将加入处女座和一个新的日本天文台 - 神冈引力波探测器，或KAGRA。

虽然这次运行有许多科学目标，但特别关注实时检测和定位引力波。如果该团队能够识别引力波事件，弄清楚波来自哪里并迅速提醒其他天文学家这些发现，这将使天文学家能够将收集可见光，无线电波或其他类型的数据的望远镜指向引力波的来源。

收集单个事件的多个信息渠道 - 多信使天体物理学 - 就像为黑白无声电影添加颜色和声音一样，可以提供对天体物理现象的更深入理解。

迄今为止，天文学家只在引力波和可见光中观察到一个事件 - 2017年看到的两颗中子星的合并。但是从这个单一的事件中，物理学家能够研究宇宙的膨胀，并确认宇宙中一些最有能量的事件的起源，称为伽马射线暴。

通过运行O4，天文学家将可以使用历史上最敏感的引力波天文台，并希望收集比以往更多的数据。我和我的同事们希望，未来几个月将产生一次或多次多信使观测，从而突破现代天体物理学的界限。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《『引力波探测器LIGO经过3年的升级重新上线》

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