第三代重力波探測器︰讓重力波參一腳進宇宙學吧！

多元信使天文學（Multi-messenger astronomy）結合多個方法（各種電磁輻射、微中子等）來研究同一個天體。重力波已是多元信使天文學的一員了。

重力波的加入始於3年前的2015年9月14日，當天歐美兩地宣佈偵測到重力波，成為全球一時佳話。其後的2017 年 8 月 17 日，兩顆中子星結合時發出的重力波亦成功被偵測。

當時重力波的偵測警報一發出，世界各地大批天文望遠鏡立即指向輻射源。這重力波事件催生了數百篇論文，其中一篇的作者人數更多達3,500。時至今天，仍然有射電天文學家緊盯著那輻射源——一切都源於那幾圈時空漣漪。

有見及此，研究重力波的科學家開始積極研究更強大的重力波探測器。其中包括愛恩斯坦望遠鏡（Einstein Telescope，ET）計劃。

ET計劃是一個在2011年提出的歐美合作項目，計劃初期美方起了暗湧。當時美方原定由美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）出資，但NSF同時亦有贊助激光干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）。於是，NSF希望待LIGO有觀測重力波的實績才願意投資NSF。

美國出資較保守，美國主導的宇宙探險家計劃（Cosmic Explorer）便不如ET先進。縱然如此，ET和Cosmic Explorer在落成後，預計它們的靈敏度皆至少10倍於現有探測器。

米切里‧潘德羅（Michele Punturo）是意大利國家核子物理學院（Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN）高級研究員，他同時是ET計劃的科學統籌。潘德羅受訪時指出︰「利用較靈敏的重力波探測器，我們不只能觀測我們附近的宇宙空間，還可以觀測紅移值很高的宇宙（即極遠的宇宙）。而且我們還可以用重力波去研究一大票以前不可能研究的事情。」

這「一大票以前不可能研究的事」包括了︰

• 統計合併的黑洞總數目
• 以另一套方法研究宇宙學和測試廣義相對論
• 統計中子星合併事件的發生頻率
• 估算重元素在宇宙中的生成速率

「我們終於能用重力波研究宇宙學了。這是宇宙學的新一頁。」潘德羅這樣評價。

第三代重力波探測器

從LIGO開始，重力波探測器的本質都是邁克生干涉儀。

它會讓兩束相干光線走過不同的路徑並抵達一個光探測器。當重力波到達地球時，干涉儀中的空間因而被拉伸或被壓縮，兩條光線路徑的長度便隨之改變，這兩條光線抵達光探測器時的相位差便有所不同。透過偵測此相變，便可知道干涉儀中的空間如何被重力波扭曲。



 

邁克生干涉儀︰激光光源射出一束激光（以黑色表示），它在分束器（多為半鍍銀鏡面）分裂成兩束光，兩束光分別以藍色和橙色表示，這兩束光分別經過兩條不同的路徑並抵達探測器並在探測器處發生干涉。

當重力波經過時，橙色光線的光程便會因空間伸縮而不停改變，並引致兩束光的光程差不斷改變，使探測器處的干涉類型亦不停改變。科學家由此可知空間沿橙色光線方向的伸縮比率為何。

哈羅‧陸（Harald Luck）來自馬克斯‧普朗克研究所。他和潘得羅早在十多年前就設計出新一代的重力波探測儀。潘德羅指出，在草繪藍圖時，他們始終希望自己筆下的重力波探測儀「能主導相關的技術突破」。

 

恩斯坦望遠鏡。這是歐洲設想的重力波望遠鏡，它由3個干涉儀組成。該3個10 km長的干涉儀組成一個等邊三角形。為減低雜訊影響，它們均埋藏在地底並冷卻至10 K（–263℃）左右。

最後，他們的團隊設計了一個三角形的探測器。

三角形的每條邊都有兩個重力波干涉儀。

每條邊的兩個干涉儀中，一個主要用於偵測高頻率重力波（可達10,000 Hz），而另一個則用於偵測低頻率重力波（2 – 40 Hz）。為了讓它們分別在各自的頻率範圍良好運作，它們有很多細節都大相逕庭——前者溫度較高、輻射壓較大；而後者則較冷、激光的功率較低。它們的鏡子的材質、懸掛鏡子的方式和激光的波長也有相異之處。

利用低頻率的探測器，科學家可以偵測大質量天體事件——例如數十個至數百個太陽質量的黑洞合併——或者觀測強重力場的地方以驗證廣義相對論。至於高頻率的探測器可偵測中子星的合併、超新星爆炸等事件。潘德羅補充道，如把高頻率和低頻率的探測器合併使用，它更可用於預警伽瑪射線暴，這讓科學家可在伽瑪射線抵達前，先讓電磁波望遠鏡指向伽瑪射線暴的源頭。

設置三對干涉儀的原因是，科學家可透過對比三組數據來判斷某訊號是否雜訊，並推論出重力波的偏振方向。整套配備會被埋藏在地下100米至200米處，以降低環境和地殼活動造成的雜訊。此外，干涉儀會被冷卻至10 K以減少熱造成的雜訊。這些措施讓連不足10 Hz的重力波也能被偵測。

潘德羅計劃把這些干涉儀與其他部件一併改良，它將會是全球首個第三代重力波探測儀。

「測量要精準，設備就要複雜。」潘得羅總結︰「世上沒有免費午餐。」

在另一邊廂的美國，LIGO 將會進行升級工程，使它適用於未來的觀測項目。科學家預計工程將於2024年完成，屆時它的靈敏度將會加倍。此外還有一系列的改動，包括把光線壓縮以減少量子效應在10 Hz至10 kHz訊號之間造成的雜訊；更換平面鏡的包層材質以減少熱造成的雜訊等。

「除此之外，LIGO的升級項目清單還很長呢。例如改動懸掛平面鏡的繩子的粗細、用更大的分束器等等。」佛羅里達大學的大衛‧萊茲（David Reitze）說︰「我們還可以讓LIGO的靈敏度加倍。」主要工序包括把舊有的鏡替換成以矽黏合的玻璃，並把它冷卻至123 K，使它不受熱膨脹影響。

身兼INFN的研究員和GWIC幹事成員的吉奧凡尼‧盧瑟杜（Giovanni Losurdo）表示，在改善探測器過程中，並沒有單一技術問題，反而有多個改善點可以增強整個探測器的靈敏度，例如把它放在地底、製作更佳吸震系統、改用更精良的鏡面和塗層、利用更優質的懸吊系統等︰「這計劃包含了好多挑戰，但我們暫時仍未遇上令人束手無策的難關。」

這些改善工程也可應用於Cosmic Explorer。這些工程再加上干涉儀的長度增加，靈敏度有望增加超過10倍。

Cosmic Explorer走的正是「超級LIGO」路線——它的結構和LIGO類似，由兩個成L狀的干涉儀組成。而Cosmic Explorer和LIGO的主要分別是，Cosmic Explorer每個干涉儀長40公里，是LIGO的10倍。

「你要在重力波的軍備競賽中勝出，你需要一個很長的干涉儀。」麻省理工大學（MIT）的馬修‧伊旺（Matthew Evans）說︰「10倍長意味著10倍靈敏度。」因挖掘隧道的成本高昂，所以美國的科學家寧願把它建在地面以省點錢來弄更長的干涉儀。然而地球的弧度使干涉儀不能直接置於地面，而應該被抬升或者嵌在壕溝中。

伊旺率領的團隊在八月時贏得NSF的資金以開發新世代的重力波探測器。團隊中來自5所大學的學者在3年間就籌集了220萬美金（折合約6700萬新台幣或1700萬港幣）去準備興建第三代探測器，並參與全球的重力波天文學。

「首先，我們會評估同時利用多個探測器的貢獻有多大。」伊旺又解釋︰「如果我們已經有ET測量低頻率的重力波，那麼輔以一兩個Cosmic Explorer類型的探測器則比較理想。」

若探測器的位置足夠分散，重力波源的位置就較容易精確地測得。因此位於地球另一邊的日本的神岡重力波探測器（Kamioka Gravitational Wave Detector）再度啟用時，它也會被納入重力波探測器的網路之中。

稍後，NFS將會更注重於Cosmic Explorer探測器的詳細設計。

去年，重力波國際協會（GWIC）成立了專責第三代重力波探測儀的屬會。

GWIC的成員包括各地面觀測站的代表、脈衝星計時重力波計劃的代表、預計在2034年落成的激光干涉太空探測儀（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）的代表。

屬會的主席是潘德羅和萊茲，他們致力找尋方法加強國際探測器的技術演進、管理等。

下一代的探測器將花費數以十億美金。

科學革命

來自賓州大學（Pennsylvania State University）的斑格羅‧賽伯格（Bangalore Sathyaprakash）與卡迪夫大學（Cardiff University）共同主持GWIC科學屬會。在2018年年底，他們就要制定好一張將會研究的科學難題的清單，且這些難題要以緩急輕重來排列。

賽伯格指出，重力波觀測站的學者們這清單之首是緻密物質態方程︰「當物質被壓縮至密度極高，它的物理性質會如何改變？」此外，巨觀的重力波似乎與微觀的核子物理學風馬牛不相及，但賽伯格不這樣認為︰「大自然給了我們中子星——巨型原子核。當它們以螺旋形接近對方時，它們會施加潮汐力於對方，這會令它們更快接近對方。它們的結構或多或少可透過重力波分析出來。」

賽伯格又指出，多元信使天文學在微中子和宇宙射線的研究中有所突破已是指日可待的事。他們的藍圖中已經有一些研究項目，包括了︰

1. 測量微中子質量
   
   當某天體發出微中子束與重力波，物理學家可透過測量它們抵達的時間差距以獲得微中子質量的估算，而這估算方法獨立於以前的其他估算方法。若它們的結果吻合，代表了我們有較可靠的微中子質量估算值。

2. 合併中的雙星系統
   
   重力波可告訴物理學家這雙星系統與地球的距離。結合以電磁波測得的紅移值，我們可以統計出更精確的哈勃常數，並以此得到更準確的「暗能量︰暗物質︰重子」比率。另一方面，由於紅移值亦可透過重力波直接測得，將來的科學家甚至可單獨利用重力波來研究宇宙學。

3. 黑洞普查
   
   物理學家可能可以透過觀測黑洞得知緻密物件如何產生一整個星系——某些星系的中心是超巨型黑洞，它們的質量達100億個太陽。「我們還不知道它們如何發展成這樣。」LISA干涉儀上250萬公里長，它應該適用於觀測極大的黑洞合併。但若要觀測小質量的黑洞合併，「你就需要ET或者Cosmic explorer了。」賽伯格說。

4. 黑洞的研究
   
   有名的「黑洞無毛定理」指出，黑洞只具備3個特質︰角動量、質量和電荷。然而，只有微觀的黑洞才有可能帶電，巨觀的黑洞應只有角動量和質量兩個參數。因此，天文物理學家估計，黑洞合併時的重力波只與總質量和總角動量有關。「能用重力波測試黑洞無毛理論是一件令人振奮的事。」

5. 探索其他未知天體
   
   蟲洞、重力真空星是一些曾被提出的概念。蟲洞是一條連接不同時空的一條隧道，而重力真空星則是一個類似黑洞但可以解釋暗能量的天體。這些天體都未經證實。而未來的重力波探測器可能可以用在探索這些物件。

重力波的可能性太多，因此各地的科學家密鑼緊鼓地籌備將來的相關投資。

例如ET計劃的下一步就是勸服歐洲研究設施策略委員會批准進一步建設。這申請會在2019年遞交，以建構2020年的開發藍圖，藍圖會包括至少三個可能地方︰意大利薩丁尼亞、匈牙利布達佩斯、荷蘭—比利時—德國邊陲地區。若這計劃獲批准，ET計劃就更容易從其他國家集資。

潘德羅稱，他們將在2022年完成選址、在2023年完成工程設計、在2030年ET會投入運作。在2035年左右，Cosmic Explorer也會投入運作。多個探測器落成後，它們聯合起來時引起的協合效應讓物理學家萬分期待。「我們當中很多人都認為若要處理某一指定難度的工作，合作帶來的回報是最大的。」GWIC的盧瑟杜（Giovanni Losurdo）說。舉個例，LIGO和Virgo起初是競爭對手，其後卻合作起來。

發現探測器的協同效應後，GWIC的一個焦點是如何營運下一代的重力波探測器。背後的營運方針多得超乎想像——你可以把那些探測器收歸一個像CERN一般堅實穩健的研究機構，也可以讓它們組成合作項目並讓合作項目組成更大的合作項目等。這些方案統統都納入議程中。

「我比較傾向中央集權制。」萊茲認為讓一眾科學家願意從屬在一個龐大組織是難度，但若果成功，「營運成本就更低，你也可以指派人手處理不同問題。中央集權制可保證各項觀測已有協調。」GWIC幹事會正期待大規模的組織和管理，他們打算在2019年發表這想法。

貝利‧巴拉斯（Barry Barish）是2017年諾貝爾獎物理學獎得主，他的得獎項目正是LIGO的研究。他認為現在最重要的事是把要研究的事排好優次，讓科學家們能用有限的錢得到最多成果。

「一套做法是把資金均分成5份並在世界各地建造5個觀測站；另一套做法是用盡所有資金來建造單一個最好的觀測站。而後者正是歐洲的做法。這兩個做法適用於截然不同的研究，這正正就是我們要排好研究項目優次的原因。我們還未遇到物理限制，但我們要小心計劃現有設施應如何發展以發掘出最豐碩的研究成果。」

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, December 2018 雜誌內(Physics Today 71, 10, 25 (2018); https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4041)；原文作者：Toni Feder。中文編譯：文裕。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Toni Feder, Anurag Agarwal and Peter Jordan, and are published on Physics Today 71, 10, 25(2018); https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4041）. The article in Mandarin is translated and edited by Abel.