“是什么促使你去LIGO工作的？”
“探測發(fā)生在地球上、發(fā)生在你我身邊的事情，借助時空的波動，了解到數(shù)百萬光年以外的黑洞訊息，所有的這些，讓我無法抗拒。”岡薩雷斯這樣說道。
現(xiàn)在，人類正在聆聽引力所奏響的縹緲交響樂。這一切都始于2015年9月18日，高級激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO）在這一天開始探測引力波。
引力波被稱為“宇宙漣漪”，它以一種神秘的方式扭曲著時空結(jié)構(gòu)。愛因斯坦的理論預(yù)言了引力波的存在。但是，直到近一個世紀(jì)過去之后，人類才掌握直接探測到它們存在的技術(shù)。
漫長的等待過程昭示著引力波研究人員在實驗中遇到的巨大挑戰(zhàn)。即使是非常強大的引力波信號（比如由兩個黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波），也可能會將數(shù)千米長的激光束拉伸或收縮相當(dāng)于質(zhì)子直徑量級的長度。
初代LIGO在2001年至2010年期間運行，由于受到來自人類和自然噪音的干擾，比如遠處列車或伐木傳來的微弱聲響，甚或是一陣風(fēng)刮過的聲音，導(dǎo)致實驗未能探測到引力波。
科學(xué)家向兩條相互垂直的LIGO長臂發(fā)射激光，每條臂的長度為四千米
過去，科學(xué)家也曾試圖通過一些實驗找到間接證據(jù)來證明，引力波在宇宙大爆炸發(fā)生后可能就已經(jīng)存在了。
相比之下，Advanced LIGO的主要目的是直接探測天體運動產(chǎn)生的引力波，比如中子星或黑洞發(fā)生碰撞。LIGO這架望遠鏡探測的是引力，而不是光。
岡薩雷斯在LIGO的控制室
加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）是路易斯安那州立大學(xué)巴吞魯日分校的一位物理學(xué)家，從1993年開始，她就參與了LIGO的建造、測試和校準(zhǔn)工作。
1997年，在她的幫助下，成立了有數(shù)百名科學(xué)家參與的LIGO科學(xué)合作組織。如今，該組織的成員已經(jīng)超過了900名。2011年，岡薩雷斯當(dāng)選為該組織發(fā)言人，實際上就相當(dāng)于其負(fù)責(zé)人，并一直擔(dān)任該職務(wù)至今。
我們與她聊了聊對宇宙而言至關(guān)重要的時空扭曲問題。
以下是訪談內(nèi)容節(jié)錄：
引力波能告訴我們什么？
岡薩雷斯：首先，同時也是最讓我興奮的是，它告訴我們，時空能夠產(chǎn)生波動，這真是令人難以置信。
是這個促使你去LIGO工作的嗎？
岡薩雷斯：我是阿根廷人，當(dāng)我在阿根廷上大學(xué)時，相對論對我來說是一種非常美妙的理論。當(dāng)時，科爾多瓦大學(xué)研究相對論的團隊實力很強，我開始在那里從事一些理論研究。
在我拿到本科學(xué)位的時候，我的丈夫念完了博士。雪城大學(xué)在相對論和量子引力論的研究上頗有實力，而這正是我丈夫想要從事的研究。于是，我們就來到了雪城大學(xué)。我們是2月份到的，剛好遇上了暴風(fēng)雪。地理和氣候差異給我們帶來的沖擊可真不小。
在我念研究生的第三年，一位名叫彼得·索爾森（Peter Saulson）的新教授加入了雪城大學(xué)，他向我們介紹了LIGO以及如何測量這些時空扭曲。探測發(fā)生在地球上、發(fā)生在你我身邊的事情，借助時空的波動，了解到數(shù)百萬光年以外的黑洞訊息，所有這些，讓我無法抗拒。
我當(dāng)時說，這就是我想做的事情。
于是，我就干了這一行。我們可以探測這種對宇宙而言至關(guān)重要的時空扭曲，這一點一直激勵著我。
岡薩雷斯站在“Y臂”前，這是LIGO兩條長臂中的一條。科學(xué)家會通過這種長達四千米的隧道發(fā)射激光
你們主要探尋什么類型的對象？
岡薩雷斯：中子星是除黑洞之外密度最大的天體。我們知道，中子星經(jīng)常成對出現(xiàn)，彼此圍繞對方運行并逐漸靠近。它們以引力波的形式失去能量，當(dāng)它們合二為一時，就會形成一個黑洞。
我們還認(rèn)為，很多中等大小的黑洞也會做同樣的運動，最終形成更大規(guī)模的黑洞。因此，這類雙星系統(tǒng)是最有可能被探測到的引力波來源。
我們還在尋找引力波的隨機背景輻射（就好比引力波產(chǎn)生的噪聲），我們認(rèn)為，它是在宇宙大爆炸發(fā)生后不久形成的。引力波背景輻射存在于各個頻率。它可能太過微弱，我們無法觀測到，但我們也在嘗試。
Advanced LIGO如何探尋引力波？
岡薩雷斯：對我來說，這是最令人不可思議的事情。LIGO這部儀器極為復(fù)雜，卻又十分精密。它是一部干涉儀，也就是說，我們會用光束分離器，把一束激光一分為二。
兩束激光穿行于兩條相互垂直的長臂中，每條長臂都有四千米長，末端的鏡子會把它們反射回來，使它們再次匯合。我們可以檢測出這些激光束所穿行距離的細(xì)微差異。
這種方法運用的原理是，引力波使時空發(fā)生了扭曲，因此一條臂會變得更短，另一條會更長。這會使激光束返回探測器時，產(chǎn)生相位差，而我們看到的就是光量的變化。
如果沒有引力波，當(dāng)激光束返回時，它們應(yīng)該是完全異相的，我們不會檢測到光。而如果存在引力波，我們就會檢測到一部分光。
具體來說，這些光束穿行四千米，而我們可以檢測出小于質(zhì)子直徑的距離差異。事實上，最理想的情況下，我們可以檢測出相當(dāng)于質(zhì)子直徑萬分之一的差異。
檢測出相當(dāng)于質(zhì)子直徑萬分之一的差異，這怎么可能做到？
岡薩雷斯：我描述的方式聽起來很簡單，只用到了光束分離器、激光發(fā)射器和兩個反射鏡，但其中需要控制的因素還有很多。距離一直在發(fā)生變化，因為反光鏡在運動。
我們需要通過很多方法來確保，反光鏡的原子運動，也就是布朗運動，不會對我們造成太大的限制。這一切都必須在真空中完成。
我們檢測的是光子的個數(shù)，而光子數(shù)目存在量子不確定性。我們想方設(shè)法減少了這些干擾源，才有了現(xiàn)在的靈敏度。
這是LIGO長達四千米的“X臂”，激光會在其中穿行
這是否就是初代LIGO和Advanced LIGO的區(qū)別？
岡薩雷斯：這很不可思議，因為如果你從外部看，它們沒有區(qū)別。我們使用的是相同的天文臺，相同的真空室。但在內(nèi)部，所有東西都不一樣。Advanced LIGO的激光器性能是初代的10倍，更穩(wěn)定，而且擁有更多功能。
在初代LIGO中，我們把反光鏡置于單一懸架上，懸架又置于所謂的“減震器”上，以減少地震干擾。而在Advanced LIGO中，我們把反光鏡置于四重懸架上，減震器也升級成了主動式的隔震系統(tǒng)。
該系統(tǒng)配備了大量傳感器和推進器——我們稱之為致動器——它們可以消除干擾。也就是說，它們可以檢測到地面的運動，然后消除這種影響。
Advanced LIGO能夠探測到的宇宙范圍有多大？
岡薩雷斯：我們所謂的探測器靈敏度指的是它們探測雙星系統(tǒng)的靈敏度。就初代LIGO來說，它可以探測到20百萬秒差距之外的雙星系統(tǒng)。（1百萬秒差距相當(dāng)于330萬光年）。
現(xiàn)在，我們可以探測到60、70百萬秒差距，有時甚至可以達到80百萬秒差距。但我們認(rèn)為，配備了如此強大功能的Advanced LIGO，其靈敏度應(yīng)該達到200百萬秒差距。
LIGO天文臺一景
這樣的靈敏度足以讓Advanced LIGO探測到大量引力波事件嗎？
岡薩雷斯：在兩個探測器的靈敏度都達到200百萬秒差距的情況下，我們預(yù)計每年可以探測到數(shù)十個引力波事件。
一旦探測到某個引力波事件，你們要做哪些工作，要做大量的分析嗎？
岡薩雷斯：是的，那將需要大量的工作，投入大量時間。我們一直在思考，一旦探測到引力波事件的蛛絲馬跡，我們要采取哪些舉措？我們?nèi)绾稳ヲ炞C？如何做準(zhǔn)備？如何在大規(guī)模合作中進行探討？
我們擁有900名成員，我們制定了一套探測程序，我們也試著估計，走完這套程序需要多長時間。
引力波天體物理學(xué)的長遠目標(biāo)是什么？
岡薩雷斯：我認(rèn)為，未來幾年我們將探測到的引力波事件不會太多。而在天文學(xué)領(lǐng)域，人們已經(jīng)習(xí)慣了各種大數(shù)字。因此我預(yù)計未來10到15年，會出現(xiàn)更大型的研究設(shè)施，它可能需要多個國家合力建造。我自己也會深度參與這些工作。
歐洲航天局已決定在2034年發(fā)射引力波太空探測器。在地面探測器發(fā)現(xiàn)引力波之后，希望這個項目能更快地推進。
當(dāng)然，太空項目一直都非常耗時。可是它一旦啟用，引力波天文學(xué)將迎來爆炸式發(fā)展，人們將探測到各種波長的引力波。就像光一樣，引力波也會擁有頻譜。
一群小學(xué)生在參觀LIGO的控制室
如何理解，引力波的發(fā)現(xiàn)幫助人類打開了觀測宇宙的新窗口？
岡薩雷斯：絕對是這樣，打開新窗口的說法不僅是一種比喻，它是有科學(xué)依據(jù)的。例如，之前我們最期待看到的事件之一，就是兩顆中子星碰撞合并，或者一顆中子星與一個黑洞碰撞合并所產(chǎn)生的引力波，這樣的情形我們通過伽瑪射線暴也能探測到。
我們經(jīng)常能探測到伽瑪射線暴，它分為兩種：短的和長的。短伽瑪射線暴即由這樣的雙星合并產(chǎn)生。這是兩種非常不同的窗口：伽瑪射線和引力波。
首次探測到引力波，對你來說意味著什么？
岡薩雷斯：人們對項技術(shù)寄予了非常多的期望。有了第一個，其他發(fā)現(xiàn)就會陸續(xù)到來。有多少黑洞存在，有多少中子星存在，中子星由什么構(gòu)成——所有這些科學(xué)問題的答案，只能通過多次探測才能解答。
翻譯：何無魚
來源：Quanta Magazine
