曹军威：宇宙天籁——引力波（5）

下面讲一下引力波激光干涉探测器的基本原理，它是一束激光打进来以后分成两束，两束在两头上都有一个测试物质。反射回来以后，从原理上来讲，如果这两个臂严格等长的话，在成像仪上所能看到的光，是抵消的，看不到任何信号。但是如果我们讲，这个引力波从垂直方向扫过天文台的时候，它就会改变两个臂的长短，这时候从成像仪上就会看到这样的信号。为了做好激光干涉效果，我们不仅拥有迈克尔逊干涉仪，我们还加了很多辅助手段，比如，加入了反射镜，使得激光在这两个臂里会反射很多次，可以加长测量的距离。就是我们讲的，时空是相对的，但是唯一不变的就是光。

我们的地面激光干涉天文台的频段主要集中在十赫兹到一千赫兹，它对应的是致密星体最终爆发的引力波信号。达到这样的精度，其实是很不容易的。一个精度在不同的阶段，是会受到不同噪声影响的。最终调到这样的精度，是非常不容易的，也是历经了十多年的时间。

这两个天文台在引力波扫过的时候，对激光干涉仪产生了一秒的时空压缩和伸长。我们这个成像仪探测到了不到一秒的信号。这个信号经过两个天文台之间距离的时间是6.9毫秒。通过这个信号，我们反推，也就是说这个引力波源从哪来的？它来源于一个双黑洞并合，那它的质量有多大呢？两个黑洞，一个是29倍太阳质量，一个是36倍太阳质量，它们并合以后的这个黑洞，按理说应该是65倍太阳质量，但是实际上它并合以后只有62倍太阳质量。也就是说在不到一秒的时间里，有三个太阳质量的能量，以引力波的形式从物质转换成为引力波，穿越进时空里面去，以引力波的方式发射出来。

实际上从概率的角度讲，宇宙里面有很多的黑洞，如果按照这一次探测到引力波的概率计算，未来我们的天文台精度再提高三倍的话，可能会每周都会探测到这样的信号。如果宇宙每周都有这样信号的话，就是无时无刻都有很多这样的黑洞，或者是剧烈运动的天体并合。所以，这个跟我们平常看到的静谧的星空是不一样的，这是一个剧烈运动的宇宙，而地球能够存在这样的一个宇宙中，而且还能这么安静的存在，实际上地球才是一个奇迹。

那为了探测到这样的信号，去造这样的一个探测器本身技术也有很多挑战。后边花一点时间把探测器本身的一些技术难题跟大家讲一下。

比如，这张图，我自己在天文台值班的时候照的，这就是一个臂，一个四公长的臂。这个臂外面是一个防护水泥罩，里面是真空腔。为了达到测量精度，避免任何不必要的干扰，这个真空系统是完全必要的。如果这里面有空气分子，对激光的稳定性就会有影响。这两个真空腔交汇的地方，就是成像仪所在的地方。所有的光学仪器都是在真空里面运行的。

第二个难题在于激光本身，激光本身要非常稳定，所谓稳定就是它的频率的稳定。不但是要稳定，而且这个能量要高，这件事是两个相互矛盾的两件事。如果做一个高功率的巨大激光，不要求稳定性，这个也是可以做到的。但LIGO这个引力波激光干涉仪，它的探测要求是既要一定的能量，又要稳定，这对于激光技术的要求非常高。