2微米厚的镜面涂层，让LIGO发现了引力波

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2微米厚的镜面涂层，让LIGO发现了引力波是怎么回事，是真的吗？2017年02月06日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                2微米厚的镜面涂层，让LIGO发现了引力波
                               
                                LIGO的激光干涉实验中，镜面上的涂层是成功的关键。
                               
                               



可以毫不夸张地说，是这些极薄的分子材料成就了过去几十年里的观测天体物理学。

这些金属氧化物加起来还不到2微米厚，但它们却是激光干涉引力波天文台（LIGO）中至关重要的材料。这种特殊的涂层让LIGO的镜子具有无与伦比的反射性，同时也让这对巨大的光学仪器检测到了引力波。

在相对论中，爱因斯坦把引力描述成了扭曲的时空。这个近100岁的理论认为，当巨型天体（如超新星、黑洞）加速运动时，会发射出大量的能量并产生引力波。引力波会在宇宙中传播，有时还会掠过地球。

用实验检测这些引力波是一件大费周章的事。在21世纪初，LIGO的科学家就开始寻找引力波了，可惜，虽然他们一直在监控探测仪器，却全无所获。

2008年时，研究团队试图改进整套设备。新的团队由来自加州理工学院（Caltech）、麻省理工学院（MIT）以及其他研究中心的超过1000名科学家组成，他们对LIGO的仪器进行了大修。其中非常关键的改良措施，就包括用带有极薄的氧化金属涂层的先进镜子替代以前的设备。

想要理解为什么这套2微米厚的涂层能在引力波探测中发挥如此重要的作用，就需要看一看LIGO的仪器肩负的重任。像傅里叶转换红外光谱（FTIR）一样，LIGO的探测仪射出的光在通过分束器后分成2束，分别沿着呈90度夹角的两个干涉臂前进。

但是与使用厘米级干涉仪的台式FTIR不同，LIGO仪器的双臂有4千米长。并且，探测仪并不探测分子，它们是被设计用于精确测量两臂间的瞬时亚原子尺度的变化的。干涉仪的4千米长的双臂一直延伸到列文斯顿的郁郁葱葱的郊区中。

根据爱因斯坦的理论，当引力波经过地球时，时空涟漪会轻微改变物体的长度，比如LIGO的臂长。此时来回在悬臂中弹射的激光就会因为路径长度不同，产生干涉现象，从而探测到引力波。

但是实际上，LIGO的首席探测器科学家Peter K. Fritschel表示，在这些信号的测量过程中需要花费巨力来消除各种细小的噪声来源。比如，来回弹射的激光束会细微地加热、扭曲镜面，甚至让镜子发生微小的偏移。

相比而言，质地更厚实的镜子就不太容易产生这种噪音。在大修的过程中，LIGO团队就把原来的11千克重的镜子换成了更宽、更厚的40千克重的石英玻璃镜子。他们还对仪器进行了升级，防止环境震动和地震活动让镜子抖动。

他们还找到了最好的涂层，从而确保镜子保持极佳的反射性，这样就可以把光一直束缚在干涉臂中。通过这种方式能够保持光束的光强，使检测到极小的引力波信号的几率达到最大。

“涂层本身就面临许多难点，也有许多需要应对的限制，”Fritschel强调。比如，涂层的材料必须将由于涂层在室温下的分子振动导致的吸收和散射（热噪音）降至最低。而材料又必须和涂层技术兼容。

Fritschel说，LIGO团队和法国里昂第一大学的一个特种涂料研究中心（LMA）合作，最终决定用SiO2和掺杂了TiO2的Ta2O5制造涂层。实际制造的过程中，这两种材料需要互相交替覆盖，共计30层。它们除了吸收率比较低以外，折射率的差异也很大，可以增加涂层的反射性。

掺杂TiO2还能进一步增加两者间折射率的差异。LMA用离子束溅射技术来镀膜，用这种技术可以在镜面上留下极为平滑的涂层。根据美国物理学家，LIGO光学工作组前主席Gregory M. Harry的说法，多项测试都显示出，LIGO的大修让引力波信号的检测灵敏度增加了2倍左右。这项进步非常值得赞扬。

因此在2015年9月，也就是在更新后的仪器——aLIGO（Advanced LIGO）上线后几天，大家翘首以盼的事情终于成真了。一开始，没人相信这是真的。当Harry第一次看到信号的时候，他还以为这又是一次空运行（数据流中插入的假结果，用来测试仪器以及团队分辨信号的能力）。

加州理工学院的GariLynn Billingsley一开始也这么认为，“或许只是个恶作剧”，她说。Billingsley是管理部分LIGO光学部件的设计、制造和测试的高级光学工程师。

这个团队很快就排除了其他的可能性。Harry激动地说：“不用怀疑，我们真的检测到引力波了。我简直无法相信这是真的。”

位于美国两端的两组仪器几乎同时检测到了信号。研究人员对这些信号进行了审查。他们判定检测到了引力波。该引力波是两个黑洞在13亿年前并合成一个黑洞时产生的，它们的质量大约分别是太阳的29和36倍。

获得这些杰出的成就后，LIGO的团队急切地想了解更多关于引力波和黑洞的知识，他们还想要检测中子星并合和其他能够产生时空涟漪的天文事件。

想要达成这些目标，就需要进一步改良仪器，其中又包括了调优镜面的涂层。这可能需要在分子水平对涂层的进一步认识的推动，而在这个层面还有不少未解决的问题。

比如，掺杂TiO2可以减少热噪声，但是人们还不清楚这背后的机制。如果能够理解这背后的机制，那么涂层就能得到进一步的改良。Harry认为，虽然掺杂后的材料依然保持非晶体态，但掺杂可使钽、钛和氧的平均化学键距离变得更有规律。

他说：“我们的数据清晰地说明在掺杂后材料就会变得不那么无定形。”但是这种结构变化减少热噪声的机理还是一个开放的研究课题。另外一个尚待回答的问题就是能够改善薄膜性质的退火效应。

在追寻引力波数十年后，经过改进的探测仪终于检测到了引力波的确凿证据，LIGO的科学家对此表示欣喜异常。这是天文学新时代的开端。但是他们也希望进一步改良检测灵敏度，而完美的光学涂层似乎就是问题的关键。

如Billingsley所说：“我们需要向化学家、材料科学家们求助，让他们帮助我们制造更好的涂层，弄清楚在分子层面上这些薄膜起到的作用。”

撰文 Mitch Jacoby
翻译 徐寒易

原文链接：http://cen.acs.org/articles/95/i4/Specialized-coatings-help-detect-gravitational.html