引力波探测器升级重启，灵敏度提升25%

通过长达一年的系统改进和升级，科学家于11月30日正式重新启动了激光干涉仪引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）双探测器。

　　过去一年中，科学家改进、强化了LIGO系统的激光器、电子设备以及光学设备等性能，最终使得LIGO天文台的 灵敏度提高了10％到25％ 。科学家希望升级后的LIGO探测器能够探测到宇宙深处发出的更多、更频繁的引力波信号以及引发引力波信号的宇宙极端现象。

　　

2015年9月14日，LIGO探测器首次直接探测到引力波，仅两天后（9月14日），科学家再次启动了升级版本的“高级LIGO”（Advanced LIGO）探测器――对初始LIGO系统的两个大型干涉仪探测器的升级，一个位于华盛顿州汉福德（Hanford，Washington），另一个距离路易斯安那州利文斯顿（Livingston，Lousiana）3,000公里。通过分析“高级LIGO”的探测信号，科学家确定所探测信号确实是引力波，产生于距离地球13亿光年处的两个巨型黑洞的合并。

仅在三个多月后，2015年12月26日，LIGO探测器再次探测到一例信号，经过科学家解码确认为第二例引力波信号，产生于宇宙更远一点处――距离14亿光年之远――的另一例黑洞合并。

现在，LIGO科学合作（LIGO Scientific Collaboration，LSC）成员希望通过对LIGO系统的最新升级，能够检测到由黑洞碰撞以及其他宇宙极端现象产生的更频繁的引力波信号。

麻省理工学院新闻中心（MIT News）对麻省理工学院LIGO项目副主任、LIGO项目探测器首席科学家彼得·弗雷斯切尔（Peter Fritschel）进行了独家专访，探讨了LIGO项目的最新进展。

　　 问：LIGO探测器下线停机后，进行了哪些改进和升级？

答：两个探测天文台进行了不同的改进。

　　对于路易斯安那州利文斯顿的探测器，主要对 真空系统内部做了大量改进工作，更换或添加新组件 。举个例子，每个探测器都包含四个测试质量块，用于响应通过的引力波，安装在复杂的悬挂系统中以保证将其与局部环境隔离开。前期测试表明，在这些悬挂块的振动模式中，其中两个振动模式引起的振荡会影响LIGO系统的性能，妨碍探测器以最佳工作灵敏度进行探测。因此，我们设计并安装了一些调谐被动阻尼器来减小这些模式的振荡幅度。这项改进有助于利文斯顿探测器以其最高灵敏度长时间运行。

　　对于华盛顿州汉福德的探测器，主要 针对性的增强了激光干涉仪中存储的激光功率 。在第一次观测运行种，干涉仪的每个长臂中具有大约100千瓦的激光功率。从那之后，我们一直致力于将其提高两倍，以实现每个长臂200千瓦的激光功率。

这是相当困难的，因为存在随着激光功率的增加会产生热效应以及光学-机械相互作用，而这些附加效应会产生系统不稳定性。实际上，我们成功地解决了这些问题，并能实现以200千瓦的激光功率操作探测器。然而，还有其他问题会影响系统敏感性，而我们目前没有时间来解决，所以目前探测器是以比第一次观测运行功率高20％到30％的激光功率运行的。这种功率的适度增加，能够对探测频率高于大约100赫兹引力波信号的灵敏度提供虽小但却显着的灵敏度增加。

此外，我们还收集了很多重要信息用于计划下一个探测器调试期，也就是这次为期六个月的观察运行期结束后开始的调试期。在达到最终期望的设计灵敏度之前，还有很多挑战性的工作。

　　 问：通过这些新的改进和升级，目前LIGO系统的探测灵敏度是多少？

　　答：通常使用的灵敏度指标是指对于两个中子星（neutron stars）合并产生的引力波的探测敏感性，因为这个系统比较容易计算和验证。但是要注意，目前我们还没有探测到中子星和中子星碰撞合并产生的引力波。现在的利文斯顿探测器已经足够灵敏，能够检测到远达2亿秒差距*（6.6亿光年）之外的合并事件产生的引力波。相比于第一次观察运行期间的探测距离，这已经 提升了大约25％。 对于华盛顿州汉福德探测器，相应的灵敏度范围与其首次观察运行期间的灵敏度范围相当，大约比上述数据低15％。

　　 *秒差距（parsecs），一种天体距离单位，1秒差距=3.26光年。

　　当然，在第一次观测运行中，我们探测到的是两个黑洞合并，而非中子星合并。尽管如此，两个探测器对于黑洞合并灵敏度的比较是大致相同的：与去年的观察运行期相比， 利文斯顿探测器的灵敏度提高了大约25％，而汉福德探测器的灵敏度大致相同。 然而，即使灵敏度的小幅度提高也很有帮助的，因为被探测的空间体积以及引力波探测的速率都是随着探测距离的立方而增长。

　　 问：此次LIGO系统重启在线运行，科学家希望“听到”或者检测到哪些信号？

答：首先，我们当然期望检测到更多的黑洞合并，目前这仍然是一个令人非常着迷的领域。回想第一次观察运行期间，我们检测到两例黑洞双体合并，这足以证明还能探测到第三次黑洞合并。随着LIGO系统灵敏性的适度提高以及计划收集更多的数据，我们会逐渐增加对宇宙中黑洞数量的认识。

　　此外， 我们也期望能够探测到两个中子星合并产生的引力波 。这些系统的存在是确定的，但目前还不知道其是否普遍存在，所以我们还不能确定到底需要多高的灵敏度才能探测到。这将是非常有趣的，因为双中子星合并（除了别的以外）被认为是星系中重元素（如贵金属）的生产者和分配者。

　　 编辑：李盼

　　 参考：http://news.mit.edu/2016/ligo-upgrades-gravitational-waves-1130

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