天文|LIGO负责人解释发现引力波的感觉( 二 )
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图片来源：Bohn等人 ， 2015年 ， SXS团队 ， 两个合并的黑洞 ， 以及它们如何改变广义相对论背景时空的外观 。
ES：据估计 ， 第一次宣布的事件发生在离我们13亿光年的地方 ， LIGO到底可以探测到多远呢？
DR：有了先进的LIGO ， 对于这些恒星质量的黑洞 ， 我们应该可以看到超过2甚至3吉秒的距离 ， 换句话说 ， 也就是90至100亿光年 。 对于100 ， 200 ， 或者300个太阳质量的黑洞 ， 这个范围就会再次降低 ， 因为频率越低 ， 灵敏度越低 。 中子星的频率更高 ， 所以它们也不那么敏感：大约是7亿光年 。 我们下一步要怎么办？如果我们能让我们的仪器比先进的LIGO灵敏十倍 ， 我们就能看到远十倍的东西 。
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图片来源:加州理工学院/麻省理工学院/LIGO实验室 ， 先进LIGO的搜索范围 。
ES：探索可观测宇宙（大约460亿光年）极限的前景如何？
DR：未来的探测器可以看到比先进LIGO高出十倍的东西 ， 你很可能看到整个宇宙的黑洞 ， 可以看到数十亿光年外中子星的合并 ， 看到第一批恒星形成的地方 。 我们已经有了建造探测器的计划——至少还需要15年的时间——但是建造下一批探测器的前景很好 。 我认为未来是光明的 。
ES：人们通常不看好激光的精度、激光所通过的真空、冷却设备或者LIGO工作所需要的抗干扰效果 。 你能告诉我们一些关于这些的情况吗？
DR：LIGO是精密测量和工程领域的佼佼者 。 以能够做实验来证明你可以测量一个质子直径的极小部分的极限来设计它 ， 让你可以日复一日地做实验 ， 这是另一个层次的努力 。 干涉仪是由不同的子系统组成的：一个激光器 ， 镜子 ， 分束器 ， 一个放置干涉仪的真空环境 ， 一个感应和控制镜子位置的控制系统 ， 然后是定位激光对齐的角 。 还有地震隔离系统 ， 因为你必须过滤掉大约1万亿倍的地震噪音 ， 这些噪音既来自地球的自然运动 ， 也来自于人造噪音 。
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图片来源：公共领域/美国政府 ， LIGO的工作示意图 。 由Krzysztof Zaj?czkowski修改 。
让我选择输入单元来谈谈 。 输入单元基本上是干涉仪各个单元的第一部分 ， 起着非常特殊的作用 。 我们使用的激光非常稳定 ， 是世界上最稳定的激光 。 但是你不能只是把激光放入干涉仪 ， 因为激光束的大小不合适 ， 它仍然又太多噪音——每个人都认为激光是你能得到的最纯粹的光 ， 但它并不是 。 激光有不同的纯度 ， 要做干涉测量 ， 测量10^-18/10^-19米的位移 ， 我们需要做进一步的提纯 。 我们还必须改变激光的特性 ， 把所谓的“侧带”放上去 ， 所以我们不是用一个单色激光 ， 我们有稍微不同的颜色 ， 用检测灯来读出一些镜子的位置 。 你必须把光束从铅笔的厚度放大到6-7厘米 ， 然后在它的中心有一个叫做模清洁器的东西 ， 它使光在频率、振幅和控制角度波动的“指向”方面更加稳定 。 输入单元做所有这些事情 。 它不是干涉仪中最性感的子系统之一 ， 但它是干涉仪中最复杂的部分 ， 因为它与干涉仪的其他部分相连接 。 这是佛罗里达大学所做的贡献 ， 而且效果非常好 。
ES:有很多事情可以使引力波在高频率的LIGO有反应：黑洞-黑洞合并 ， 中子星-黑洞合并 ， 中子星-中子星合并 ， 超新星和伽马射线爆发 。 但是 ， 除了黑洞-黑洞合并之外 ， 还有其他的可能以预期振幅被观测到吗?
DR：当然黑洞-中子星源是我们真正希望看到的 。 到目前为止还没有观测支持 ， 即使它被认为是伽马暴的一个候选源 ， 就像双星合并一样 。 它们的比例是高度无约束的 ， 这意味着在我们看见一两个之前 ， 我们真的不知道 。 超新星是一个非常有趣的例子 。 当LIGO在20世纪70年代末和80年代首次被构想出来的时候 ， 超新星被认为是引力波的一个非常好的来源 。 但是 ， 当人们开始更好地模拟超新星以及理解核坍塌和随之而来的冲击波和外层爆炸时 ， 他们变成了很糟糕的辐射体 。 所以即使借助先进的LIGO ， 甚至是下一代探测器 ， 我们都可能不太会在我们的星系之外探测到超新星 。
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这是一位艺术家对两颗相互环绕的恒星的印象 ， 它们从左到右逐渐合并成引力波 。 这可能是短周期伽马射线爆发的起源 。 图片来源：NASA /戈达德宇航中心/ T. Strohmayer 。
ES：有没有什么意料之外的惊喜是LIGO可能发现的？或者会不会看到任何我们没有样本的东西?
DR：另一个有意思的来源——如果我们看见的话 ， 它会很酷 ， 但它是一个更难看到的来源——我们搜索独立的中子星 ， 脉冲星的引力波 。 如果有一种机制打破了球形 ， 产生了依赖于时间的四极质量矩（例如 ， 地壳变形 ， 中子星的椭圆形状 ， 等等） ， 它就会以这种方式旋转 ， 当它绕轴旋转时就会产生抖动 。 这些应力波非常微弱 ， 但是它们的优势在于它们是单色的 ， 因为中子星是精确计时的 。 我们成年累月地搜索它们 ， 我们只是不断的随时间推移进行整合 。 如果有一个信号突然出现在背景上 ， 最终 ， 如果你整合的时间足够长 ， 我们就可以看到它 。 看到这样的东西十分让人激动 ， 因为你可以说引力波对一个孤立的中子星或者脉冲星的旋转减速都有作用 。
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