科技日報記者 劉霞

2015年9月14日，美國激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到“時空的漣漪”——引力波。這一發(fā)現(xiàn)不僅榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎，更開啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元。自此以后，科學(xué)家已累計確認(rèn)超過百例引力波事件，為觀測黑洞合并、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)家還驗證了斯蒂芬·霍金于1971年提出的黑洞理論。

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

下一代探測器各有千秋

美國引力波研究團(tuán)隊計劃建造的CE，結(jié)構(gòu)與LIGO相似，但臂長達(dá)到40公里。一旦CE建成并投入運行，每年有望探測到10萬次黑洞合并事件，幾乎能覆蓋整個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。它采用三條干涉臂構(gòu)成一個等邊三角形。CE主要探測頻段與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態(tài)，并能觀測更大質(zhì)量黑洞的合并過程。

LISA則是一項天基探測計劃，由3顆衛(wèi)星組成一個邊長250萬公里的巨型等邊三角形。LISA致力于探測頻率在0.1毫赫茲到1赫茲之間的低頻引力波。LISA衛(wèi)星組預(yù)計于2035年發(fā)射。

中國也規(guī)劃了類似的空間引力波探測項目“天琴”與“太極”，預(yù)計于21世紀(jì)30年代投入使用。

匯聚多項技術(shù)創(chuàng)新成果

下一代引力波探測器匯聚了多項前沿技術(shù)，顯著提升了探測能力。

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

在降低熱噪聲方面，下一代探測器采用了先進(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，低溫冷卻技術(shù)大幅抑制了反射鏡中的熱振動。

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)，有效抑制信號頻段中的量子噪聲。美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊歷經(jīng)15年攻關(guān)，研制出“量子真空壓縮器”，使LIGO的探測距離擴(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)也為引力波探測注入新動力。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)，可有效抑制觀測系統(tǒng)中的噪聲，提高控制精度，穩(wěn)定關(guān)鍵測量部件。

潛力與挑戰(zhàn)并存

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

這些探測器將能夠觀測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量數(shù)據(jù)，檢驗新型引力理論，甚至探索暗物質(zhì)的奧秘。通過探測原初引力波并在強(qiáng)引力場中驗證廣義相對論，這些探測器或許將開辟新物理學(xué)的窗口。與電磁波、中微子觀測站協(xié)同開展的多信使聯(lián)合觀測，也將深化科學(xué)家們對宇宙現(xiàn)象的理解，推動天體物理學(xué)邁入新階段。

然而，建設(shè)這些探測器仍面臨諸多技術(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，地面探測器需避開地震帶并盡量減少環(huán)境干擾，而LISA等空間探測器則需應(yīng)對衛(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等項目耗資數(shù)十億歐元，且依賴多國合作，資金籌措與國際協(xié)調(diào)難度極大。更重要的是，這些探測器將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，必須建立可擴(kuò)展的高性能計算平臺和先進(jìn)算法，才能實現(xiàn)信號的實時處理與精確解析。