城市规模的望远镜可以观看时空每年波动100万次

俄亥俄州哥伦布市 - 一个2.5英里长的引力波探测器并不酷。你知道什么很酷吗?一个25英里长的引力波探测器。

这是周六(4月14日)美国物理学会4月会议上发表的一系列会谈的结果。下一代引力波探测器将直接对准可观测宇宙的外缘，寻找时空结构中的涟漪，爱因斯坦预测，当黑洞等大质量物体碰撞时会发生涟漪。但主持人告诉观众，仍然存在一些阻碍他们建设的重大挑战。

麻省理工学院物理学家马修埃文斯告诉观众，“你可能认为目前的探测器非常敏感。” “这是真的，但它们也是最不敏感的探测器，你可以[可能]探测到引力波。

当然，目前的探测器无需打喷嚏。当2.5英里长(4公里)的激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年首次发现时空增长和缩小时 - 两个黑洞之间13亿年前碰撞的引力回声-它证明了曾经完全是理论上的巨大的，无形的引力波的存在，并在短短两年内领导了LIGO创作者的诺贝尔奖。

但发言人说，LIGO及其堂兄，长达1.9英里(3公里)的意大利乐器处女座，基本上是有限的。麻省理工学院物理学家Salvatore Vitale表示，这两个探测器只能真正发现来自整个宇宙范围内相对靠近地球的物体的引力波。它们在可以检测到的物体类型方面也受到限制。

到目前为止，目前的干涉仪确实只有两个主要结果：2015年黑洞合并的检测，以及2017年8月发现的两颗中子星碰撞(也是会议的热门话题)。已经检测到更多的黑洞碰撞，但是在第一次探测之前它们没有提供太多令人惊叹的结果。

Evans说， 建造更大规模，更精确的LIGO和Virgos，或称为“ 爱因斯坦望远镜” 的不同类型的大型探测器，波浪探测率可以从每几个月一次跃升至每年超过100万次。

“当我说这些探测器将我们带到宇宙的边缘时，我的意思是它们可以探测到几乎所有合并的二元系统，”他说，指的是碰撞的成对的恒星，黑洞和中子星。

这意味着有可能从宇宙的早期探测黑洞，探测重力的深奥之谜，甚至可能第一次探测到超新星的星球引力波并坍缩成中子星或黑洞。

越大越好

那么为什么更大的探测器会导致对引力波的更敏感搜索呢?为了理解这一点，您必须了解这些探测器的工作原理。

正如Live Science先前报道的那样，LIGO和处女座基本上是巨型的L形统治者。两条隧道以相互成直角的方式分支出来，使用激光对隧道长度进行极其精细的瞬间测量。当引力波穿过探测器时，摆动空间本身，这个长度变化很小。简而言之，一英里的距离略微不到一英里。激光穿过较短的距离稍微快一点，表明发生了变化。

但是测量的精确程度是有限的。对于干涉仪来说，大多数波纹对激光的影响太小。改进LIGO和Virgo现有隧道的检测技术可以在一定程度上改善问题，Evans说，并且有计划这样做。但他说，要真正放大信号，唯一的选择就是要做得更大。

埃文斯说，下一步是L形检测器，其长度为24.86英里(40公里)，是LIGO的10倍。他称该提案为“宇宙探险家”。他说，它足够大，几乎可以探测到引力波探测器可能检测到的任何东西，但并不是那么大，以至于基础物理开始分崩离析或成本变得不可思议的高，即使对于这种眼花缭乱的昂贵的科学项目。(LIGO的最终成本达到了数亿美元。)

那么为什么这种尺寸的探测器，而不是两倍或十倍大?

埃文斯说，在某一点，大约24.86英里(40公里)长，光从隧道的一端移动到另一端需要很长时间才能使实验变得模糊，使得结果不那么精确而不是更多。

至少同样具有挑战性的是成本。埃文斯说，LIGO和处女座足够小，以至于地球的曲率不是一个重大的建筑挑战。但是每条隧道在24.86英里(40公里)处，将每条隧道的末端放在地面上意味着隧道的中心必须在地下98.43英尺(30米)(假设地面完全水平)。

“超过40公里，”埃文斯说，“从长隧道出来的泥土运输距离开始接管成本。”

还有一个基本问题是找到足够大的扁平空间以构建如此大的探测器。埃文斯说，欧洲基本上没有足够大的地方，而在美国，选择仅限于犹他州的大盐湖和内华达州的黑岩沙漠。

这些太空挑战推动了替代的大型引力波探测器设计，称为爱因斯坦望远镜。虽然L形是测量引力波的最佳方法，但埃文斯说，一个带有三个隧道和多个探测器的三角形可以做得非常好，同时占用更小的空间，非常适合欧洲的地理限制。

Vitale说，这些探测器距离完工还有15到20年的时间，并且还没有发明构建它们所需的所有技术。尽管如此，他和埃文斯都告诉聚集的科学家，“现在是时候了”开始研究它们。Vitale说，已经有八个工作组准备了关于这种大型设备的科学理由的报告，该报告将于2018年12月公布。

一位观众向埃文斯询问是否有意义建造一个5英里长(8公里)探测器，而真正的宇宙探测器或全尺寸爱因斯坦望远镜距离还有十多年。

埃文斯说，如果他是一个资助委员会，他就不会批准这样一个项目，因为LIGO规模翻倍的科学回报并不是那么大。他补充说，这只是在隧道规模的上限，这样一个项目的成本是合理的。

“除非我知道由于某种原因[一个8公里的探测器将是有史以来最大的现实探测器]，所以它不值得，”他说。

维塔尔表示，这并不意味着科学家们不得不等待15至20年才能进入下一个主要的引力波结果阶段。随着当前规模的更多探测器上线，包括日本的Virgo大小的Kamioka引力波探测器(KAGRA)和LIGO大小的LIGO-India，并且随着现有探测器的改进，研究人员将有机会测量各个引力波从更多的角度一次，更多的检测和更详细的结论，他们来自何处。