在地底收聽重力波
- 日本「神岡重力波探測器」位於地底，並使用低溫冷卻技術，減少雜訊干擾，可更精準觀測重力波！
Center of Gravity
作者╱畢林茲 ( Lee Billings )
譯者╱宋宜真
重力波，這種由黑洞合併、中子星碰撞、超新星爆炸或宇宙其他劇變所產生的時空漣漪，引發了天文物理學的革命。在愛因斯坦預測重力波存在的100年之後，科學家終於在2015年首度觀測到重力波。這些穿越時空的低聲細語雖然難以捉摸，卻揭示了奇特天體內部隱藏的細節。重力波研究讓研究人員首度取得黑洞存在的直接證據、得以重新估算宇宙膨脹速率，並證實中子星是宇宙中金、鉑和其他重元素的主要來源。最終，重力波還可能讓科學家瞥見宇宙在大霹靂之後最初幾分之一秒的模樣。
這項充滿希望的研究最前線，就位在地底錯綜複雜的黑暗隧道之中。在日本中部岐阜縣池野山地底200多公尺處，一支由科學家、工程師和技術人員組成的國際團隊，已在2019年為按部施工將近十年的工程做最終測試，即將啟動神岡重力波探測器（KAGRA）。KAGRA將加入世界上其他三座活躍的重力波觀測站的行列，它們分別是位於美國華盛頓州漢福、路易斯安那州利文斯頓的兩座先進雷射干涉儀重力波觀測站（LIGO），以及義大利比薩附近的先進Virgo。KAGRA位於地球東半球的日本，且管道方向與LIGO和Virgo相對，將能獨立檢驗這幾座觀測站的觀測結果，從而增進研究人員對黑洞與中子星合併方向和自旋的觀測品質。
總的來說，這四座觀測站的合作，將達到前所未有的靈敏度和精準度，能夠尋找更微弱的重力波，並以空前的敏銳度定位重力波源座標，再交由傳統望遠鏡繼續追蹤。本文精選的照片記錄了KAGRA探測天際之前，最後所做的技術準備工作。
KAGRA以「雷射干涉術」尋找重力波，就跟LIGO和Virgo一樣。這種方法是：在兩支互相垂直、構成L形的真空管道末端懸吊鏡子，雷射光束行經數公里長的管道後從鏡面反射回來。重力波穿透真空管道時，會短暫地拉長或壓縮時空，改變管道長度，從而改變雷射光束行進的距離，雷射光束如量尺般測量此一變化。這種變動小到令人難以置信，遠小於單個質子的直徑，意味著每座觀測站都必須設法解決或抑制難以計數的雜訊，例如地震和潮汐造成的巨大振動，而輕微振動來自天上飛掠的飛機、一旁行經的車輛、鄰近的野生生物活動，甚至鏡面上的原子晃動，全部都混雜在一起。要區分重力波和雜訊所引起的細微變化是極其困難的任務，但LIGO與Virgo從這些訊號中找到數十項可靠的測量結果並發表，儘管其中不乏假訊號。
KAGRA位居山底，是第一座完全在地底建造並運轉的大型雷射干涉儀，遠離地表紛亂的背景雜訊。它也是第一座使用低溫冷卻鏡的干涉儀，每具鏡面都是重達23公斤的拋光藍寶石圓柱，能大幅降低熱擾動，以提高靈敏度。LIGO和Virgo的鏡面保持在室溫，KAGRA的鏡面則維持在絕對溫度20K的極低溫狀態。
大致來說，KAGRA運用這兩種改進方式，可以找到更微弱的重力波源，是LIGO或Virgo無法發現的。但這兩種方式還是有缺點：機械冷卻器雖能使反射雷射的鏡面保持冰冷，自身的振動仍會影響測量結果；雨水和定期融化的雪水會滲透到KAGRA所在的隧道，精密設備得加裝塑膠板來保護，即使有保護措施，水氣仍可能迫使KAGRA在一年中最潮濕的時節停止運轉。
如果一切按計畫進行，KAGRA不僅有助於帶來重大發現，所驗證的改進方式還可能應用在新一代更先進的重力波觀測站。
End
重點提要
■全球已有三座重力波觀測站，它們獲得的發現澈底改變了我們對黑洞、中子星和其他天體的理解。
■第四座觀測站「神岡重力波探測器」（KAGRA）已經完工，即將開始運轉。
■KAGRA與另外三座重力波觀測站的運作原理相同，卻是第一座建在地底並使用低溫技術以提高靈敏度的觀測站。這些創新技術對於新一代更先進的重力波探測器至關重要。 |
