爱因斯坦望远镜将从地下250米开启天文学新纪元

DJ牧南

引力波就像是宇宙中的声波，例如，当黑洞或中子星相撞时就会产生引力波。未来的引力波探测器--爱因斯坦望远镜，将使用最新的激光技术来更好地了解这些波，进而了解我们的宇宙。建造这台望远镜的一个可能地点是德国、比利时和荷兰的边境三角地带。爱因斯坦望远镜将于2035年开始观测，它将扩大我们探测引力波的能力，让我们对宇宙中最引人注目的事件有新的认识，包括形成金等元素的中子星碰撞。虽然这还只是一个计划，但一台新望远镜很快就能测量引力波了。

爱因斯坦望远镜建在地下约 250 米处。它将利用三条隧道（每条隧道长十公里）中的干涉仪测量早期宇宙中黑洞的碰撞。资料来源：NIKHEF

宇宙如何制造黄金？

2017年夏天，对于天文学家来说是极其激动人心的一天：8月17日，三个引力波探测器记录了一个新信号。全球数百台望远镜立即对准了疑似原点，果然在那里看到了一个发光的天体。这是第一次以光学和引力波两种方式探测到两颗中子星的碰撞。

中子星是宇宙中非常特别的东西：它们是燃烧殆尽的恒星，不再发出任何可见辐射。它们的重量略大于太阳，但质量却挤压在直径不到 20 千米的球体中。它们碰撞的力量如此巨大，以至于原子核被撕裂，巨大的质量喷射而出，形成了金等重原子。

亚琛工业大学的天体物理学家阿希姆-施塔尔（Achim Stahl）教授苦笑着解释说："与中子星的质量相比，被创造出来的黄金并不多，只有几个月球质量。但研究人员非常肯定，宇宙中的大部分黄金都是在这种巨大的爆炸中产生的。因此，我们戴在手指上的金戒指已经经历了银河系的历史。"

目前，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）正在开发高稳定性掺钬光纤放大器的原型。这种新型激光技术还可用于其他应用领域，例如量子技术或医疗技术。资料来源：弗劳恩霍夫 ILT，德国亚琛

引力波探测器开启天文学新篇章

借助引力波探测器，我们已经对中子星的碰撞有了更多的了解。按照银河系的标准，这些碰撞过程非常迅速。过去，如果我们非常幸运，我们可以记录到持续时间不到一秒的伽马射线暴。当黑洞碰撞时，目前的引力波探测器能够测量到的信号非常短。2015 年测量到的第一个引力波信号仅有 0.2 秒多长。当超重物体在宇宙中相互绕行，然后发生碰撞时，就会产生这种波。

2017 年夏天探测到的信号长达 100 秒，因此立即可以看出这一定是新的东西。引力信号停止后不久，记录到了伽马射线暴；随后，在不同波长范围内观测到了爆炸的余辉，并探测到了金和铂等重元素的踪迹。该事件被确定为两颗中子星的碰撞。同时观测到引力波和电磁信号，开启了观测天文学的新篇章。天体物理学家斯塔尔解释说："事实上，光学信号对在天空中找到这颗恒星起了决定性作用。"

爱因斯坦望远镜掺铥光纤放大器的实验室设置。资料来源：弗劳恩霍夫 ILT，德国亚琛

我们与宇宙的"耳朵"

几个世纪以来，天文学仅限于观测可见辐射。随着对电磁波谱有了更好的了解，天文学家增加了许多新的观测方法，探测到了无线电波，并通过计算和模拟大大扩展了人类的知识。

一百多年前，当爱因斯坦提出广义相对论时，他也提出了一个想法：可能存在与电磁波谱无关的波。与声波类似，它们应该会让远处的测试样本"晃动"一下。大的加速质量应该会在太空中发出这样的波。然而，在地球上，引力波引起的摆动非常微弱，其运动比原子直径还要小得多。尽管如此，现在测量引力波已经成为可能。这对天文学家来说是一个新时代。

所谓的激光干涉仪就能做到这一点。它们由两端带有反射镜的两臂组成。激光束进入干涉仪，在中间的分光镜处被分束。激光束到达两臂的末端反射镜，然后返回分光镜。如果臂端反射镜的位置发生变化，相应激光束的传输时间就会发生微小的变化。将受影响的反射镜发出的激光束与反射镜未移动的另一干涉仪臂发出的激光束进行比较，就能测出两者的时间差。

目前引力波探测器的这种测量精度总是令人吃惊，即使是物理学家也不例外，斯塔尔教授解释说："我们的测量精度不到质子直径的千分之二。质子是原子核的组成部分。具有讽刺意味的是，我们需要已知最小粒子的精确度，才能探测到宇宙中最大的事件--黑洞的合并。"

早在 20 世纪 60 年代，人们就开始尝试测量引力波。然而，只有目前的第二代激光测量设备才能达到这种极高的精度，目前已经探测到大约 100 次黑洞或中子星的碰撞。

爱因斯坦望远镜

施塔尔教授是德国爱因斯坦望远镜团体的成员，目前正在研究下一代引力波探测器。第三代测量设备的灵敏度比目前使用的设备高十倍。计划中的引力波观测站以广义相对论创始人的名字命名为"爱因斯坦望远镜"。"我们希望用它来观测宇宙中比目前可能观测到的引力波大一千倍的区域。"天体物理学家解释说："这样，我们就能发现更多目前的仪器还不够灵敏的引力波源。这也适用于以较低频率发射引力波的较重物体。"

爱因斯坦望远镜将由三个嵌套探测器组成。每个探测器将有两个激光干涉仪，臂长 10 公里。为了尽可能屏蔽干扰，天文台将建在地下 250 米处。

不过，科学家们已经考虑得更远了："爱因斯坦望远镜将与从射电到伽马射线的电磁波谱中的新一代创新天文台一起工作。我们称之为多信使天文学，"Stahl 教授描述道。"除了探测引力波的'耳朵'，我们还将有探测非常不同信号的'眼睛'。这些信号将共同提供前所未见的宇宙事件的实时传输"。

今后，引力波探测器将持续运行，并在信号出现时及时"倾听"。如果有几个这样的探测器捕捉到信号，就可以计算出它的起源区域，并将其他光学望远镜与之对准。与 2017 年夏天的中子星碰撞一样，届时就可以进行多次系统测量。科学家们希望从中获得许多新的见解，例如关于早期宇宙或关于所有比铁重的元素在碰撞中形成的见解。

欧洲和世界各地的探测器

这种复杂的测量需要全球合作。因此，美国也在开发第三代探测器的概念设计："宇宙探测器"将与爱因斯坦望远镜组成全球探测器网络。2021 年，欧洲人将爱因斯坦望远镜列入了欧洲研究基础设施战略论坛（ESFRI）的路线图。欧洲研究基础设施战略论坛成立于 2002 年，目的是使各国政府、科学界和欧盟委员会能够共同制定和支持欧洲研究基础设施的概念。

随着爱因斯坦望远镜被纳入 ESFRI 路线图，它已进入筹备阶段。预算估计为 18 亿欧元。预计每年的运行费用约为 4000 万欧元。计划于 2026 年开始建造，2035 年开始观测。

目前正在进行选址研究。预计将在 2024 年做出决定。目前正在调查两个可能的地点：一个在撒丁岛，另一个在德国、比利时和荷兰三国交界处的 Euregio Meuse-Rhine 地区。在评估选址时，研究合作伙伴不仅要考虑建造的可行性，还要预测当地环境对探测器灵敏度和运行的影响程度。

该项目将为相关地区带来诸多益处：18 亿美元中的很大一部分将用于施工措施。仅举两个例子，就需要三倍于十公里的隧道和十二倍于十公里的真空管道。许多公司已经参与了该项目。

一个庞大的团队已经在不同的地点投入实际测量设备的工作。除亚琛工业大学外，还包括位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）。该研究所目前正在开发新的激光器，如果没有这些激光器，就不可能进行新的测量。

来自弗劳恩霍夫激光技术研究所的项目经理帕特里克-贝尔（Patrick Baer）证实说："我们在这里开发的可能用于爱因斯坦望远镜的激光器设计独特，专门用于测量引力波。"作为爱因斯坦望远镜研究小组的负责人，他代表着弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和生产技术研究所（IPT）以及亚琛工业大学激光技术系和光学系统技术系的研究小组。"不过，在简化版中，为这一应用领域开发的激光技术也可用于其他应用领域，例如量子技术。但所获得的知识也有助于医疗技术领域的激光开发：例如，波长为 2 ?m 的激光适用于粉碎肾结石和膀胱结石"。归根结底，这就是弗劳恩霍夫国际激光技术研究所自成立以来一直在做的事情：使高端研究激光器适合工业应用。

目前资金尚未完全到位。斯塔尔教授希望在未来两年内做出最终决定。首先，规划人员将开始工作，然后是隧道建设者，最后是激光物理学家。"我估计，我们将能够在 2035 年进行首次测量。"

是什么让阿希姆-施塔尔这样的研究人员如此着迷？这位天体物理学家解释说："有了引力波，我们就能比普通望远镜更深入地观察宇宙。在天体物理学中，深入宇宙首先意味着回溯时间。利用爱因斯坦望远镜，我们将接收到星系和第一批恒星形成时的信号。这比光学手段所能探测到的时间还要久远。我们将在看到引力波之前听到宇宙爆炸的现场直播。爱因斯坦望远镜更灵敏的探测器将更早地"听到"这些信号，让其他望远镜有更多的时间进行调整。在过去，看到这样的事件更多的是一种幸运的巧合。现在，系统的测量首次成为可能。激动人心的时刻正在到来--而且不仅仅是对天体物理学家而言。"

这项工作部分得到了欧洲区域发展基金（EFRE）Interreg EMR 的支持，部分得到了北莱茵-威斯特法伦州经济事务、创新、数字化和能源部的支持。

编译来源：ScitechDaily