科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

2015年9月14日，美國(guó)激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）首次直接探測(cè)到“時(shí)空的漣漪”——引力波。這一發(fā)現(xiàn)不僅榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，更開啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元。自此以后，科學(xué)家已累計(jì)確認(rèn)超過百例引力波事件，為觀測(cè)黑洞合并、中子星碰撞等宇宙現(xiàn)象提供了全新窗口。就在本月，借助引力波事件GW250114，科學(xué)家還驗(yàn)證了斯蒂芬·霍金于1971年提出的黑洞理論。

據(jù)英國(guó)《自然》網(wǎng)站報(bào)道，盡管LIGO等探測(cè)器的觀測(cè)精度已大幅提升，但仍面臨噪聲干擾和靈敏度不足等挑戰(zhàn)，亟須下一代探測(cè)器接續(xù)探索。目前，愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡（ET）、宇宙探測(cè)器（CE）和激光干涉儀空間天線（LISA）等項(xiàng)目正處于選址或研發(fā)階段。這些設(shè)備有望帶來(lái)前所未有的科學(xué)突破。

下一代探測(cè)器各有千秋

美國(guó)引力波研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃建造的CE，結(jié)構(gòu)與LIGO相似，但臂長(zhǎng)達(dá)到40公里。一旦CE建成并投入運(yùn)行，每年有望探測(cè)到10萬(wàn)次黑洞合并事件，幾乎能覆蓋整個(gè)宇宙歷史中的引力波源，甚至包括100多億年前星系大量形成恒星、黑洞頻繁產(chǎn)生與合并的遠(yuǎn)古景象。

ET是歐洲提議建設(shè)的第三代地基引力波天文臺(tái)。它采用三條干涉臂構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。CE主要探測(cè)頻段與LIGO相近（約10—1000赫茲），而ET則將頻率下限擴(kuò)展至1赫茲，使其能更早捕捉黑洞碰撞前的動(dòng)態(tài)，并能觀測(cè)更大質(zhì)量黑洞的合并過程。

LISA則是一項(xiàng)天基探測(cè)計(jì)劃，由3顆衛(wèi)星組成一個(gè)邊長(zhǎng)250萬(wàn)公里的巨型等邊三角形。LISA致力于探測(cè)頻率在0.1毫赫茲到1赫茲之間的低頻引力波。LISA衛(wèi)星組預(yù)計(jì)于2035年發(fā)射。

中國(guó)也規(guī)劃了類似的空間引力波探測(cè)項(xiàng)目“天琴”與“太極”，預(yù)計(jì)于21世紀(jì)30年代投入使用。

匯聚多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新成果

下一代引力波探測(cè)器匯聚了多項(xiàng)前沿技術(shù)，顯著提升了探測(cè)能力。

首先是通過延長(zhǎng)干涉儀臂長(zhǎng)提高靈敏度。更長(zhǎng)的基線使其在低頻引力波探測(cè)方面實(shí)現(xiàn)了更高精度，極大擴(kuò)展了可觀測(cè)信號(hào)的范圍。

在降低熱噪聲方面，下一代探測(cè)器采用了先進(jìn)的鏡面涂層技術(shù)，包括離子束濺射非晶材料和晶體涂層材料，有效提升了中低頻段的靈敏度。同時(shí)，低溫冷卻技術(shù)大幅抑制了反射鏡中的熱振動(dòng)。

量子壓縮技術(shù)也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該技術(shù)通過向干涉儀注入壓縮真空態(tài)，有效抑制信號(hào)頻段中的量子噪聲。美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)15年攻關(guān)，研制出“量子真空壓縮器”，使LIGO的探測(cè)距離擴(kuò)展了超過4億光年，引力波發(fā)現(xiàn)效率有望提高50%。

此外，人工智能技術(shù)也為引力波探測(cè)注入新動(dòng)力。谷歌“深度思維”公司與LIGO、意大利格蘭薩索研究所聯(lián)合開發(fā)出“深度環(huán)路成型”AI系統(tǒng)，可有效抑制觀測(cè)系統(tǒng)中的噪聲，提高控制精度，穩(wěn)定關(guān)鍵測(cè)量部件。

潛力與挑戰(zhàn)并存

下一代引力波探測(cè)器蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)潛力，有望推動(dòng)人類在探索早期宇宙、檢驗(yàn)基礎(chǔ)物理理論、發(fā)展多信使天文學(xué)等方面取得突破。

這些探測(cè)器將能夠觀測(cè)到幾乎所有的雙黑洞合并事件，從而揭示黑洞的形成與演化歷程。它們還將以前所未有的效率捕捉中子星合并，幫助科學(xué)家解析千新星、中微子噴流等天文現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。CE等設(shè)備也將揭示一系列新的天體物理過程，從核心坍縮型超新星爆發(fā)到中子星發(fā)出的連續(xù)引力波，極大拓展了人類對(duì)極端條件下恒星演化與物質(zhì)行為的認(rèn)知。

它們還可提供更精確的宇宙膨脹測(cè)量數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)新型引力理論，甚至探索暗物質(zhì)的奧秘。通過探測(cè)原初引力波并在強(qiáng)引力場(chǎng)中驗(yàn)證廣義相對(duì)論，這些探測(cè)器或許將開辟新物理學(xué)的窗口。與電磁波、中微子觀測(cè)站協(xié)同開展的多信使聯(lián)合觀測(cè)，也將深化科學(xué)家們對(duì)宇宙現(xiàn)象的理解，推動(dòng)天體物理學(xué)邁入新階段。

然而，建設(shè)這些探測(cè)器仍面臨諸多技術(shù)與資金挑戰(zhàn)。

噪聲抑制與精密工程技術(shù)仍是關(guān)鍵瓶頸問題，科學(xué)家需要開發(fā)更先進(jìn)的激光系統(tǒng)、低溫反射鏡和極低噪聲環(huán)境。此外，地面探測(cè)器需避開地震帶并盡量減少環(huán)境干擾，而LISA等空間探測(cè)器則需應(yīng)對(duì)衛(wèi)星發(fā)射、在軌維護(hù)等復(fù)雜工程。

資金問題同樣令科學(xué)家擔(dān)憂。ET和LISA等項(xiàng)目耗資數(shù)十億歐元，且依賴多國(guó)合作，資金籌措與國(guó)際協(xié)調(diào)難度極大。更重要的是，這些探測(cè)器將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，必須建立可擴(kuò)展的高性能計(jì)算平臺(tái)和先進(jìn)算法，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理與精確解析。