新技术使引力波探测能力大幅提升_风闻

原创：牧夫天文

编译：武强

校对：周俊杰

编排：李子琦

后台：库特莉亚夫卡 李子琦

原文链接：

https://www.nao.ac.jp/news/science/2020/20200428-gwsp.html

图为由TAMA300改造后的过滤器谐振器核心部位。

（图片来源：国立天文台）

日本国立天文台的研究人员通过开发全球的领先新技术，利用位于三鹰市的引力波检测仪TAMA300，成功提升了引力波探测器的灵敏度。今后，随着这一技术被用于以大型低温引力波探测器KAGRA（日本神冈引力波探测器）为首的各大引力波探测器，我们期待能够探测到更多的引力波现象。

2015年首次探测到引力波而获得2017年诺贝尔物理学奖的事情还记忆犹新。现在正在观测中的引力波干涉仪，通过检测引力波抵达时，镜面间的细微的距离变化来检测引力波。虽然各镜面之间相隔有数千米的距离，但引力波引起的距离变化极小，如果不控制量子力学上难以避免的波动，就不能检测到引力波。这种波动表现在波的相位和振幅两方面，具有将其中一方减小，另一方就会变大的性质。相位波动会产生高频噪声，振幅波动会产生低频噪声。如果能根据频率选择想要变小的波动，就能够减少噪音。

以国立天文台引力波项目的研究人员为中心的研究团队，对位于三鹰校区的TAMA300进行了改造，开发出控制波动的技术。TAMA300是拥有300米基线长度的激光引力波干涉仪原型机。研究团队构建了长达300米的过滤谐振器，利用长基线和大型低温引力波探测器KAGRA制造出的防震控制等最新技术，成功实现了大型引力波探测器所需的100Hz以下的低频波动控制。这种低频波动的控制非常困难，在此之前没有成功的例子。

率先验证此项技术的可行性非常有意义，该技术不仅将在KAGRA上使用，还将应用在美国的LIGO、欧洲的Virgo等世界各地引力波探测器的下一次升级改造中。这项技术将使引力波探测器的灵敏度提高2倍，可能观测到的引力波现象增加8倍。通过观测更多的引力波现象，可以帮助人类获得如双黑洞的形成过程、广义相对论的精密验证、进一步了解中子星的各种性质、探索宇宙中重元素起源等关于宇宙的诸多新认知。

这项研究成果将以“A frequency-dependent squeezed vacuum source for broadband quantum noise reduction in advanced gravitational-wave detectors”（一种用于降低先进引力波探测器宽带量子噪声的频变压缩真空源）为题目，刊登在2020年4月28日的美国物理学专业杂志《物理评论快报（Physical Review Letters）》上。美国麻省理工大学的研究小组也在16米的过滤谐振器上取得同样的成果，并在同一期《物理评论快报（Physical Review Letters）》上以论文形式发表。

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