引力波:探索宇宙奥秘的时空涟漪

重大科学项目的科研人员有时会获得公众的盛赞。当实时科学运行数据公布并被同行科学家仔细验证后，这些科研人员费尽心力和时间取得的成果就会转化为公共财富，被世界各国媒体竞相报道。但是在2015 年 9 月 14 日以前，LIGO团队，也就是激光干涉仪引力波天文台的科研人员，从未有这样的期望，没人想到50年来毫无成果的工作即将以一种意想不到的方式得到回报。 这项大规模的 LIGO 实验覆盖了美国两个广阔的站点，并得到了世界各地 1000 多名科学家的支持，目前正在进行一项工程运行。这是引力波天文台几天后投入运行前的例行技术测试。这是第八个也是*后一个微调周期，之后事情才会变得有趣。在美国东部标准时间上午 7 点左右——正是英国时间的正午——**封电子邮件已经发送给了感兴趣的各方，这标志着天文学自引入望远镜以来*大的变化的开始。 这一天，我们对宇宙的认识实现了飞跃。 把 LIGO 称为天文台似乎过于轻描淡写了，但实际上它却是如此。LIGO 包括两个相距 3000 千米（约1865 英里）的巨大场地，这两个近乎相同的设施，一个在路易斯安那州的利文斯顿，另一个在华盛顿州的汉福德。两个场地都有一对 4 千米（约 2.5英里）长的管子，直径 1.2 米，彼此成直角形成 L 形，激光沿着这对管子通过，在光束聚集形成光学干涉图样之前，多次被端部的镜子反射形成一组微小的干涉条纹，干涉条纹边缘极其微小的变化都可以被观察到。光束长度*微小的变化也将会被探测到，而这种变化应是在存在引力波的情况下发生的。1916 年，阿尔伯特·爱因斯坦曾预测过空间和时间结构中的涟漪，但从未被检测到。 这两个巨大的孪生系统，包括那些 4 千米长的金属管，其中几乎没有空气。空气分子的振动会散射激光束，将“噪声”引入监测的信号中。任何声音振动和气流冲击对悬挂于管端部的反射镜而言，都会影响其反射激光束。这些管道内的压力是大气层的万亿分之一，这需要连续抽气 40 天，在此期间，管道需要加热到150 ℃以上才能从金属表面排出尽可能多的气体。 仅仅是为抽空管道做好准备就花了极大的心思，在美国偏远地区安置精密设备也有很大的难度。这些管道很大，需要较长的时间建造，在此期间当地的野生动物都在此安了家。在利文斯顿当一位工作人员走过几近完工的管道时，他在管道内发现了黄蜂、黑寡妇蜘蛛、老鼠和蛇。这意味着它们含酸的尿液会在纯净的不锈钢上留下污点，当空气被抽干时，这些污渍会释放出蒸气，在管道实现真空环境之前需要进行大量的清洁工作（一旦涉及酸，“不锈钢”就不会再“不锈”）。 尽管操作管内真空度很高，但它们的金属壁只有 3 毫米厚。如果没有沿着操作管设置的密集加强环，外部气压就会压碎它们。每根管子的外部都是用混凝土包裹住的，这样做不是为了做真空防护，而是为了缓冲外部冲击。这就好比一辆警车在夜间撞上汉福德天文台的一根管子，司机手臂骨折，但管子却完好无损。若空气涌入受损的管子中后果将是灾难性的，由此产生的空气爆炸会摧毁大部分探测系统，造成价值数百万美元的损失。 由于长臂延伸出较长的距离，它们的支撑物必须随其长度逐渐增加高度以适应地球的曲率。从其一端到另一端有超过一米的高度差，人们需要保持管子完全笔直。而这只是确保探测器正常工作要考虑的一个小问题，另一个更大的问题是振动。为了应对环境中不可避免的振动，LIGO 拥有一整套的实时反馈系统，用于监控各个部件的位置，并对机臂和其他部件进行微小的调整来应对变化。该系统可实现每分钟监控位置 983000 次，平均每 0.000061 秒一次。“隔震平台”处理的振动是比 LIGO 日常检测到的波级大 100 万倍左右的较大振动。其他的防震措施是通过悬挂系统实现的，这些悬挂系统用于防止 LIGO 的反射镜由于引力波以外的原因而移动。它们使用四个独立的钟摆悬架来抑制晃动，将镜子悬挂在只有人类头发直径两倍的玻璃纤维上，保持 40 千克的“测试质量”——反射镜，尽可能的稳定。 …… 路易斯安那州和华盛顿州的LIGO天文台在观测过程中一共要收集100000个数据通道的信息。收集的信息流既包括直接观测到的管内激光干扰数据，也包括关于反射镜、真空管的状态和周围环境的详细环境数据。地震仪也加入其中，以确保地球的任何物理振动都可以被中和，这使得科学家能够*大限度地消除不必要的噪声和干扰，专注在实际信号上。 ……