宇宙神秘涟漪，看不见摸不着的引力波，LIGO是如何捕捉它的？直接探测引力波的长期努力正

在爱因斯坦预言引力波存在的近一个世纪后，直接探测引力波的长期努力正在升温。戴维·阿佩尔（DavidAppell）解释了激光干涉测量引力波天文台（LaserInterferometryGravitational-waveObservatory ，下文简称LIGO）的一次重大升级将如何使搜寻工作在不远的将来圆满落幕。

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引力捕手——激光干涉引力波天文台（LIGO）
在华盛顿州东部的一片干燥的灌木丛中，距离美国曾经最大的钚工厂只有几英里远的地方，坐落着一座巨大的实验室，它的两条长臂伸向远方。在有风的日子里，风滚草呼啸而过，堆积在长臂的混凝土外壳上，这使得实验室的维修人员头疼不已。不过，实验室内部一片繁忙， LIGO的科学家们正在为天文台14年历史中最激动人心的一个阶段做着准备。他们将开始使用升级的设备和新的仪器进行观测，他们有一种感觉，这一次，当他们继续搜寻时将会捕捉到一个大的引力波。
1916年，引力波作为广义相对论场方程的一项结论由爱因斯坦提出预测。这10个非线性耦合方程把宇宙描述成“质量-能量”和“空间-时间”之间动态的相互作用。正如物理学家约翰·惠勒（JohnWheeler）所说， “物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何移动。 ”广义相对论的一个预测是，大质量物体移动时会导致时空结构扭曲，产生以光速向外传播的涟漪。这些涟漪被称为引力波，但它们不是在电磁学中常见的正弦波。相反，它们在垂直于传播路线的一个方向上拉伸空间，同时在另一个方向上压缩空间——有点像嘴唇上下撅起准备接吻。

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引力波的产生（图片来源：VICE）
爱因斯坦方程所做出的预测中还从未有被证明是错误的， 20世纪70年代对一个脉冲双星系统（一颗高速自转的中子星在轨道上围绕另一颗中子星运行）的观测强烈暗示了引力波确实存在（见下文“脉冲星探测器”）。然而，尽管尝试了几十年，并没有人直接探测到这种波。
LIGO的建立就是为了改变这一点。 2002年到2010年，激光束从实验室中心沿其两条相互垂直的长臂传播，在长臂末端它们被悬挂的巨大测试块反射回来，然后在靠近原点的位置重新汇合。测试思路是，经过的引力波会引起测试块的位移，这足以使臂长发生变化，并在激光束干涉图样中产生可检测到的相位移动。在LIGO的第一阶段实验操作中，研究人员有几次以为他们发现了这种相移，结果发现所谓的信号其实是噪声，在其中一个案例中，研究人员则合作并故意制造了假信号，作为对他们内部数据核查程序的一项测试。

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LIGO中悬挂的测试块
然而现在， LIGO在华盛顿州汉福德（Hanford,Washington）和路易斯安那州利文斯顿（Livingston,Louisiana）的一对孪生天文台正在进入一个新时代。承包商完成了一项耗资2.21亿美元的双天文台升级工程，将LIGO探测微弱引力波的能力提高了10倍。多亏了这项被称为“高新激光干涉引力波天文台（AdvancedLIGO）”或“aLIGO”的技术升级，研究人员应该能够探测到以地球为中心、4.2亿光年为半径范围内的引力波。这仍然只是整个宇宙的一小部分，但相较于升级之前可能达到的探测范围已经扩大了千倍（体积上）。随着升级后的系统进入高速运转，并在2016或2017年达到其设计灵敏度， LIGO的科学家们自信满满，相信他们将会看到一些真实的东西。