從2023年開始激光干涉儀引力波天文臺將進行技術升級

從2023年開始，激光干涉儀引力波天文臺

未來十年，引力波的觀測頻率將接近每小時一次。英國和美國的科研資助機構于今年2月14日宣布，(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)

圖片來源：Victor de Schwanberg/Science Photo Library

2040萬美元

美國國家科學基金會(US National Science Foundation)將為Advanced LIGO Plus(ALIGO +)項目提供的資金，而英國研究與創新部門(UK Research and Innovation)則會提供(約合1370萬美元)的資金，另外還有一小部分資金來自澳大利亞。LIGO位于華盛頓州和路易斯安那州的兩個站點的升級將包括增加一個300米長的高真空光學共振腔(optical cavity)，用以產生理想的激光束——LIGO探測系統的核心。

LIGO包括位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩臺L形干涉儀，每臺干涉儀有兩個長達4公里的臂。它從2002年開始運行至2010年，然后在經過大規模升級后于2015年重新啟動。

迄今為止，它已經觀測到了十個黑洞合并事件，以及兩個中子星合并事件

當年9月，LIGO首次探測到了兩個黑洞合并產生的引力波。LIGO一直在進行定期升級，經過旨在提高其50%的靈敏度的升級后，即將重新開放運行。

還能更強！

如果一切按計劃進行，LIGO將能夠發現距離地球325百萬秒差距（約10億光年）范圍內發生的中子星合并事件

但ALIGO +的升級計劃將更加激動人心。英國格拉斯哥大學的物理學家Ken Strain表示，。Ken領導的一批英國大學預計將獲得大部分來自英國資助機構的經費。相比于ALIGO +升級之前的設計探測精度(173百萬秒差距)，這次的升級幾乎將LIGO的探測精度提高了一倍。

ALIGO +升級會將探測間隔縮短至幾個小時

LIGO已經能夠發現數十億秒差距內的黑洞。到2022年，它每天都應能檢測到一個這樣的事件，而接下來的。

。“它（這些升級）讓你有能力測量現在測不了的事件。”

LIGO前主任Barry Barish在華盛頓哥倫比亞特區舉行的新聞發布會上表示，此次升級不僅僅會提高探測頻率，同時也將提高觀測質量。例如，降低噪音將使研究人員能夠了解黑洞在合并之前是如何自旋的，這將為研究黑洞的歷史提供線索Barish說。Barish是加州理工學院的物理學家、2017年的諾貝爾物理學獎獲得者之一。

降低噪音

引力波干涉儀的工作原理是不斷比較兩臂的長度。它們通過在每個臂末端放置成對的鏡子來反射激光束，然后使兩個光束會聚在中心點上并重疊。在沒有引力波的情況下，兩束光的電磁波振蕩相互抵消。但是如果時空受到引力波干擾導致臂長發生變化，則激光束不再相互抵消，這時一個傳感器就會開始檢測光場。

在實踐中，鏡子不能完全免受熱震動和地震的影響。此外，由于量子物理學的隨機性，激光本身會產生噪聲。LIGO科學家已經開發出精密的技術來抑制這些噪聲源，并且能夠從留下的噪聲中提取出信號。

即將完成的LIGO升級計劃包括實現一種被稱為壓縮光（squeezed light）的技術，

該技術也被用于意大利比薩附近由法意共同領導的Virgo干涉儀。LIGO的壓縮光系統將減少到達光傳感器的光子數量的波動，但會增強光束推動鏡子的效果就像不完全充氣的氣墊中的空氣一樣，量子噪聲不能被完全消除，只能轉移到其他地方。

而ALIGO +的主要改進(需要300米長的管道)在于會引入一種被稱為“變頻壓縮”(frequency-dependent squeezing)的技術。這將使干涉儀可以同時降低鏡子上的光壓和光子數波動。其他改進將包括采用擁有最先進涂層的新鏡子，預計這可將熱噪聲降低四倍。