俄亥俄州哥伦布——2.5英里长的引力波探测器并不酷。你知道什么是酷？一个25英里长引力波探测器。这是星期六(4月14日)在美国物理学会4月会议上举行的一系列会谈的结果。下一代的引力波探测器将会与可观测宇宙的外边缘相媲美，在时空的结构中寻找涟漪，这是爱因斯坦预测的，当黑洞碰撞的时候会发生。但主持人告诉观众，在他们的建设过程中仍然存在着一些重大的挑战。
引力波是时空结构中的涟漪，图片：Shutterstock
麻省理工学院的物理学家马修·埃文斯(Matthew Evans)告诉观众：你可能认为现在的探测器非常敏感，这是真的，但它们也是最不敏感的探测器，可以(可能)探测到引力波。当然，目前的探测器并不是什么可以看到。当2.5英里长(4公里)的激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年首次探测到时空的增长和收缩时——这是一个由两个黑洞相撞的13亿年前的碰撞的引力回声——它证明了曾经完全是理论的、不可见的引力波的存在，并在仅仅两年后就获得了LIGO的创始人的诺贝尔奖。
但是LIGO和它的表妹，1.9英里(3公里)长的意大利式室女座引力波探测器，从根本上来说是有限的。麻省理工学院的物理学家塞尔瓦托·维塔莱说，这两种探测器都只能够探测到地球上相对接近地球的物体的引力波。它们在能够检测到的对象的类型中也受到限制。到目前为止，目前的干涉仪只有两项主要的结果：2015年探测黑洞合并，以及在2017年8月发现两颗中子星相撞(这也是会议上的一个热门话题)。虽然已经发现了更多的黑洞碰撞，但是他们并没有在第一次探测提供令人震惊的结果。
埃文斯说，建立更大的、更精确的LIGOs和Virgos，或者一种叫做“爱因斯坦望远镜”的大型探测器，每隔几个月就会有超过100万次的引力波探测。当说这些探测器把我们带到宇宙的边缘时，它们几乎可以探测到所有的双星系统，指的是碰撞的恒星、黑洞和中子星。这意味着在宇宙的早期发现黑洞的可能性，探测到引力的深层奥秘，甚至可能首次探测到恒星的引力波，并坍缩成中子星或黑洞。
越大越好
那么，为什么更大的探测器会导致对引力波更敏感的搜索？为了理解这一点，你必须了解这些探测器是如何工作的。LIGO和室女座是，正如之前报道过的，基本上是巨大的l型领先者。两个隧道从彼此的直角处伸出，利用激光对隧道长度进行精确的实时测量。当引力波经过探测器时，它本身的长度会发生微小的变化。曾经一英里变成了，短暂的，略少于一英里。而激光，穿过较短的距离稍快一点，表明发生了变化。但是测量的精确度是有限度的。大多数的波会对激光产生轻微的波动，而对于干涉仪来说，它的影响要小得多。
改善LIGO和处女座现有隧道的探测技术可以让事情有所改善，而且还计划这样做。要真正放大信号，唯一的选择就是加大力度。下一个步骤是一个l型的探测器，它的臂长为24.86英里(40公里)，是LIGO的10倍。该提议为“宇宙探索者”。它足够大，可以探测到任何一个引力波探测器可能探测到的任何东西，但并不是那么大，以至于底层物理学开始瓦解，或者成本变得不可思议的高，即使是这种令人瞠目的昂贵的科学项目。(LIGO的最终成本达到了数亿美元。)
那么为什么会有这么大的探测器，而不是两倍或十倍大呢？在某一时刻，大约24.86英里(40公里)长，光从隧道的一端移动到另一端的时间很长，实验可能变得模糊，结果变得不那么精确，而不是更多。至少，成本是具有挑战性的。LIGO和处女座足够小地球的曲率并不是一个重大的建筑挑战。但是每只臂的长度为24.86英里(40公里)，将每条隧道的两端置于地面，这意味着隧道的中心必须是98.43英尺(30米)的地下(假设地面是完全平整的)。超过40公里，从长隧道中挖出的泥土的运输距离开始接管成本。
还有一个基本的问题就是找到一个足够大的平坦空间来建造这么大的探测器。欧洲基本上没有足够大的地方，而在美国，这些选择仅限于犹他州的大盐湖地区和内华达州的黑岩沙漠。这些空间挑战驱动了另一种巨大的重力波探测器设计，叫做爱因斯坦望远镜。虽然L型是测量引力波的最佳方法，但一个有三条隧道和多个探测器的三角形，在占据更小空间的同时，也能做得差不多，这是欧洲地理局限性的理想选择。Vitale说，这些探测器还需要15到20年的时间才能完成，而建造这些探测器所必需的技术还没有发明出来。尽管如此，他和埃文斯都告诉聚集在一起的科学家们，现在是时候开始研究它们了。已经有8个工作组准备了一份报告，报告将于2018年12月发布的这类大规模设备的科学依据。
一名观众问埃文斯，建造一个5英里(8公里)长的探测器是否有意义，而一个真正的宇宙探索者或全尺寸的爱因斯坦望远镜还需要10年的时间。埃文斯说，如果他是在一个资助委员会，他不会批准这样一个项目，因为加倍LIGO的规模的科学回报并没有那么大。只有在隧道规模的上限，这样一个项目的成本是合理的。除非我知道，出于某种原因，(一个8公里长的探测器将是有史以来最大的)，这是不值得的。尽管如此，这并不意味着科学家必须等待15到20年才能获得下一个主要的引力波结果。随着越来越多的探测器当前规模的网络，包括Virgo-sized Kamioka引力波探测器(KAGRA)在日本和LIGO-sized LIGO-India，改进现有的探测器，研究人员将有机会来衡量个人引力波从更多的角度，使更多检测和更详细的结论。
博科园-科学科普｜文：Rafi Letzter/Live Science
