引力波探测器迎来技术升级战

2015年9月14日，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次直接探测到“时空的涟漪”——引力波。这一发现不仅荣获了诺贝尔物理学奖，更开启了引力波天文学的新纪元。自此以后，科学家已累计确认超过百例引力波事件，为观测黑洞合并、中子星碰撞等宇宙现象提供了全新窗口。就在本月，借助引力波事件GW250114，科学家还验证了斯蒂芬·霍金于1971年提出的黑洞理论。

据英国《自然》网站报道，尽管LIGO等探测器的观测精度已大幅提升，但仍面临噪声干扰和灵敏度不足等挑战，亟须下一代探测器接续探索。目前，爱因斯坦望远镜（ET）、宇宙探测器（CE）和激光干涉仪空间天线（LISA）等项目正处于选址或研发阶段。这些设备有望带来前所未有的科学突破。

下一代探测器各有千秋

美国引力波研究团队计划建造的CE，结构与LIGO相似，但臂长达到40公里。一旦CE建成并投入运行，每年有望探测到10万次黑洞合并事件，几乎能覆盖整个宇宙历史中的引力波源，甚至包括100多亿年前星系大量形成恒星、黑洞频繁产生与合并的远古景象。

ET是欧洲提议建设的第三代地基引力波天文台。它采用三条干涉臂构成一个等边三角形。CE主要探测频段与LIGO相近（约10—1000赫兹），而ET则将频率下限扩展至1赫兹，使其能更早捕捉黑洞碰撞前的动态，并能观测更大质量黑洞的合并过程。

LISA则是一项天基探测计划，由3颗卫星组成一个边长250万公里的巨型等边三角形。LISA致力于探测频率在0.1毫赫兹到1赫兹之间的低频引力波。LISA卫星组预计于2035年发射。

中国也规划了类似的空间引力波探测项目“天琴”与“太极”，预计于21世纪30年代投入使用。

汇聚多项技术创新成果

下一代引力波探测器汇聚了多项前沿技术，显著提升了探测能力。

首先是通过延长干涉仪臂长提高灵敏度。更长的基线使其在低频引力波探测方面实现了更高精度，极大扩展了可观测信号的范围。

在降低热噪声方面，下一代探测器采用了先进的镜面涂层技术，包括离子束溅射非晶材料和晶体涂层材料，有效提升了中低频段的灵敏度。同时，低温冷却技术大幅抑制了反射镜中的热振动。

量子压缩技术也发挥着关键作用。该技术通过向干涉仪注入压缩真空态，有效抑制信号频段中的量子噪声。美国麻省理工学院团队历经15年攻关，研制出“量子真空压缩器”，使LIGO的探测距离扩展了超过4亿光年，引力波发现效率有望提高50%。

此外，人工智能技术也为引力波探测注入新动力。谷歌“深度思维”公司与LIGO、意大利格兰萨索研究所联合开发出“深度环路成型”AI系统，可有效抑制观测系统中的噪声，提高控制精度，稳定关键测量部件。

潜力与挑战并存

下一代引力波探测器蕴藏着巨大的科学潜力，有望推动人类在探索早期宇宙、检验基础物理理论、发展多信使天文学等方面取得突破。

这些探测器将能够观测到几乎所有的双黑洞合并事件，从而揭示黑洞的形成与演化历程。它们还将以前所未有的效率捕捉中子星合并，帮助科学家解析千新星、中微子喷流等天文现象的细节。CE等设备也将揭示一系列新的天体物理过程，从核心坍缩型超新星爆发到中子星发出的连续引力波，极大拓展了人类对极端条件下恒星演化与物质行为的认知。

它们还可提供更精确的宇宙膨胀测量数据，检验新型引力理论，甚至探索暗物质的奥秘。通过探测原初引力波并在强引力场中验证广义相对论，这些探测器或许将开辟新物理学的窗口。与电磁波、中微子观测站协同开展的多信使联合观测，也将深化科学家们对宇宙现象的理解，推动天体物理学迈入新阶段。

然而，建设这些探测器仍面临诸多技术与资金挑战。

噪声抑制与精密工程技术仍是关键瓶颈问题，科学家需要开发更先进的激光系统、低温反射镜和极低噪声环境。此外，地面探测器需避开地震带并尽量减少环境干扰，而LISA等空间探测器则需应对卫星发射、在轨维护等复杂工程。

资金问题同样令科学家担忧。ET和LISA等项目耗资数十亿欧元，且依赖多国合作，资金筹措与国际协调难度极大。更重要的是，这些探测器将产生海量数据，必须建立可扩展的高性能计算平台和先进算法，才能实现信号的实时处理与精确解析。

科技日报记者 刘霞