诺奖得主联合报告:LIGO与引力波的发现(巴里-巴里什)

巴里?巴里什（摄影：慕梁）

　　新浪科技讯 北京时间12月17日下午消息，2017“复旦-中植科学奖”颁奖典礼暨第三届复旦科技创新论坛今日在上海举行，今年诺贝尔物理学奖得主雷纳?韦斯（Rainer Weiss）、基普?索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里?巴里什（Barry Clark Barish）是2017“复旦-中植科学奖”的获奖人，以表彰他们在引力波方面的研究。

　　著名科学家丁肇中在台上致颁奖词时表示，三位科学家捕捉到了天体运行过程中的特殊性，为未来引力波和重力研究相关学科进一步拓展基础。

　　在接受“复旦-中植科学奖”之后，三位科学家为大家做了联合报告“LIGO与引力波的发现”。巴里?巴里什教授第二个上台，介绍了LIGO项目的细节。

　　以下为巴里?巴里什报告全文（速记根据同传录音整理，未经审定）：

　　我应该算一个技术人员。我将会做两件事情，一件就是把韦斯教授的发言继续下去，为大家展示一下我们真实的设备以及它的探测结果。在这之后，基普?索恩先生会跟大家介绍一下之后我们想做什么，我们想一起来展望未来。同时，我也会跟大家稍微介绍一些具体的细节。这在丁肇中教授的介绍中，也跟大家提到过。



　　首先跟大家看一下，我们引力波探测器的真实照片，这是我们能够实际进行引力波探测的两个设备。左边，是在汉福德，在美国西海岸华盛顿州的一个设备；右边是在美国的路易斯安那州，两者所处的地理位置很不一样。汉福德的设备在沙漠里面，而在路易斯安那州，设备是建设在沼泽里的，但是我们确保他们使用的设备是完全一样的。当它们捕获到引力波的时候，它们的反应也是一模一样的。



　　这里展示了一些你走进这个庞大的设备内部会看到的场景。刚刚讲到，我们有光臂，长达四公里的光臂是在这两边。你可以看到我们这个阀门，它可以封闭真空，所以如果需要的话，我们可以在整个光臂里面行走。当然有的时候，我们也需要让光臂呈真空的状态。这个图，主要是产生激光。除此之外，也有一些测试性的设备。



　　在过去的二十年时间里面，我们对这些设备进行了不同的升级和维护，刚刚没有足够的时间向大家介绍整个设施的探测灵敏度，现在我会跟大家稍微介绍一下。在这下面是我们所探测到的频率的宽度，也就是频带。我们能够探测到的频带，差不多是在10到20赫兹到20000赫兹之间。高频振动的赫兹数要高得多，我们可能耳朵听不到。在最低的频带，噪声主要来自于地表本身的振动，这个衰减非常的快。那么在高频段区域，也就是在画面上的这个位置，它的探测精度取决于我们的光子数量。而中间的频带，是因为热力学的作用所产生的这类运动，包括物质分子本身的振动等等，都是我们希望能够从背景噪音当中去除掉的。

　　在我们让LIGO上线使用后的6个月到12个月内，我们的背景噪音被我们降得越来越低，越来越低，因此我们的探测精度也开始变得越来越高。这样的话，才能够使我们达到10-21这样一个探测精度，就像教授刚刚所说的那样，在丁肇中教授的介绍中就提及我们一共做过六轮的这样一个科学探测，但是都没有找到引力波。



　　在这之后，我们不断对这个装置进行技术上的改进和升级。最终我们达到了最上面这条线，这一条线应该是我们原来对于LIGO设置的理想的探测数值，丁肇中教授介绍的时候谈到，我们对原来的LIGO进行了进一步的升级，使它的探测精度在所有探测频带上面都能够至少提高10倍。在这里，大家可以看到，我们最终成功地将我们的精度提高到我们所希望能够达到的值。我们希望我们这个频段的灵敏度，能够提升3倍，这样就有可能在这个频段探测到更多的引力波，而这也意味着我们探测宇宙的深度可以扩展27倍。

　　在低频的领域，我们的精度得到了100倍的提升。早前，我们有一套很好的装置，来抵消地面震动产生的振动，刚刚已经跟大家介绍过了。我们可以检测到低于地面震动10-12倍的振动。

　　最下面的这条线，是我们在技术上面所能够达到的最大的一个极限。我们现在还没有达到这种探测精度，但我们正在朝这个方向努力。刚刚已经跟大家展示了我们在我们设施内部，所有我们所需要的，必要的一个设施，比如说我们这里有一个钟摆，通过这样一种重物悬挂的构架可以最大程度地避免因为地面微弱的振动所导致的对干涉仪的干扰。



　　2015年的9月份，我们终于收到了这样的信号，探测到了这样一个信号，在许多报纸和文章上面，大家可能都看到过这张图。我们整个光臂形变的数量级是10-21。一开始我们是在路易斯安那州的设备，捕捉到了这样一个信号，在6.9毫秒之后，我们在华盛顿州也捕捉到了这个信号，大家可以看到，我们两个州捕捉的信号是极其相似的，这给了我们极大的信心。





　　我们再详细看一下第一个图像，在丁肇中的介绍当中，也谈到了我们可以用广义相对论的理论，来比对我们测量的结果。我们发现，其理论值和实际的测试值，比较吻合。而且我们还可以确定这个事件发生的质量总和，差不多是30个太阳的质量。我们还可以通过对波形的波长，以及它的振幅来判断这一事件其他的一些信息。我们可以看到不同质量的物体在合并的过程当中，产生的引力波还是不太一样的，通过这些标准波形的比对，我们可以迅速地判断出我们所探测到的引力波所牵扯到的质量的范围。



　　在未来我们会把现在探测到的信号作为标准信号，对未来的信号进行比对。这个夏天，法国和意大利合作在意大利建立了一个新的设备，现在波兰也加入了进来。这个设备在10月份就已经投入使用，而且它的精度跟我们LIGO也比较相似，非常幸运的是，自然界对这一套设备也及时地做出了回应。



　　这一张图上可以分别看到我们探测到的信号和他们探测到的信号，有了第三个探测装置，我们就可以精确地定位这样一个天体物理事件发生的具体位置。图片上面，那个长长的，像香蕉一样的图片，就可以告诉我们整个引力波发生的源头在哪里。当然在意大利的设备的光臂长度，没有我们光臂那么长。但是他们的探测频段，跟我们有所不同。对我们来说，非常幸运的是，我们很快就获得了我们所需要探测的信号。我们检测到两个比较轻的物体合并之后产生的引力波，因为质量比较轻，所以通过分析，我们认定应该是两颗中子星合并的结果。





　　也就是说这次合并，不是黑洞的合并，而是两个中子星的合并，这意味着我们可以用其他的一些天体物理学观测的仪器，来进行这一事件的观测。比如说费米卫星，他主要对伽玛射线进行探测，在我们接收引力波之后的两秒钟，卫星也接收到了伽玛射线，同时都指向宇宙的一个区域。天文学观测的设施，都可以同时指向天空的某一特定方向，并进行相关信号的收集，这个事件产生了全球性的效果。我们第一次就一个天文事件收集到了各种不同的信息。



　　我们知道，描述宇宙的膨胀常数是我们天文学家长期以来的追求和梦想。通过引力波设施，我们可以第一次独立地对整个宇宙的膨胀的常数进行计算。当两个物体合并的时候，可以产生我们所做的一个“千新星”（Kilonova）的效果，我们可以使用各种天文设备进行探测。如果能够关注到“千新星”（Kilonova）的合并，他的观测效果，在测量宇宙膨胀上面，一定比我们其他黑洞合并效果更好一些。



　　对于大家来说，可能特别感兴趣的并且困扰了我们很长一段时间的问题是，地球上的重金属如何出现在地球上的，比如说黄金、铂金，这种非常重的元素，是如何出现在地球上的？我不知道它们是怎么产生的，在自然界，它们一开始是如何被制造出来的？我们知道，宇宙当中充满了氢气，我们知道核质变的过程，最终产生的是铁。我们可以从元素周期表上面，预测这种元素的出现，我们也可以在实验室当中制造这种元素。后来我们发现，是中子星的合并和中子星的爆炸，产生这种超重金属。

　　有许多论文都描述了中子星的合并是如何产生重金属。我们可以看到，黄色的部分，都是中子星合并过程当中产生的重金属。所以很有可能，地球上的这些重金属和超重金属，都是来自中子星合并的产物。我们现在的检测结果也支持这个理论。



　　除了刚刚给大家介绍的LIGO设备之外，在未来会有一些新的探测仪的投入使用。最重要的一个是在日本，另外一个在印度，这能让我们形成全球的观测网络。现在，有了更多的设备投入使用之后，我们就能够更好的对整个天文事件发生的地点进行定位。随着时间的推移，在接下来的六七年时间，我们也许能够涵盖更多的空间。



　　这是我的最后一张幻灯片，我们有一些新的技术，我们也在进行进一步的升级。我们希望可以将我们的探测精度，提高到这一条黑线，我们需要更重的测试质量、更低的温度、更高级的材料、更好的光学涂层以及更强大的激光，这些技术上的进步，会让我们在今天的探测精度上，再提高十倍。就像刚刚说到的，我们可以真正地开始对天文学进行研究，同时我们可以在单一事件的信号测量方面达到非常高精度的水平。现在，我要请出我的同事基普?索恩。

　　附：2017“复旦-中植科学奖”获奖人巴里?巴里什介绍

　　巴里?克拉克?巴里什被授予复旦-中植科学奖，因其领导了LIGO建设及初期运行，并建立了称为LIGO科学联盟的国际合作组织；他把LIGO从几个研究小组所从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能。

　　巴里?克拉克?巴里什所领导的大规模实验项目，不但建设了激光干涉引力波天文台（LIGO），还将它的灵敏度提高到可成功探测引力波的水平。初级的激光干涉引力波天文台（initial LIGO）所使用的，大多是已被验证过的技术，这是为了确保技术上的成功，并且考虑到从原型干涉仪到大规模干涉仪的巨大跨越。2000年，初级激光干涉引力波天文台建设完毕以后，巴里什领导了一项雄心勃勃的高级激光干涉引力波天文台（Advanced LIGO）研发项目，其目标是将所有频段上的灵敏度提高十倍以上。LIGO从2008年开始升级，并在2015年首次发现了引力波。

　　巴里什教授是美国国家科学院、美国人文与科学院、美国科学促进会的成员，曾于2011年担任美国物理学会的主席。他曾获得美国科学院亨利?德雷伯奖章、欧洲物理学会Giuseppe和Vanna Cocconi奖，并与另外两位科学家共同获得2017年诺贝尔物理学奖。