爱因斯坦望远镜或将开启天文学的新纪元

Josiah

这还只是个计划，但一架新望远镜可能很快就能测量引力波了。引力波有点像宇宙的声波。例如，当黑洞或中子星碰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，从而更好地了解我们的宇宙。建造这架望远镜的一个可能地点是德国、比利时和荷兰的边境三角区。

宇宙如何创造黄金

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，三台引力波探测器记录到了新的信号。全球数百台望远镜立即对准了疑似起源点，并在那里看到了一颗发光天体。这是两颗中子星的碰撞首次通过光学和引力波同时被探测到。

中子星是宇宙中非常特殊的一种物质：它们是燃烧殆尽的恒星，不再发出任何可见的辐射。它们的重量略大于我们的太阳，但质量却被挤压成一个直径不到 20 公里的球体。它们碰撞产生的力非常大，以至于原子核被撕裂，大量物质被抛射出来，并形成金等重原子。

“与中子星的质量相比，产生的金并不多——只有几个月球质量，”亚琛工业大学天体物理学家阿齐姆·斯塔尔教授笑着解释道。

“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，我们手指上戴的金戒指已经经历了银河系的历史。

引力波探测器开启天文学新篇章

借助引力波探测器，我们已经对中子星碰撞有了更多的了解。按照银河系的标准，这是一个非常快的过程。在过去，如果我们非常幸运的话，我们可以记录持续时间不到一秒的伽马射线爆发。当黑洞碰撞时，用目前的引力波探测器可以测量的信号非常短。

2015 年测量到的首个引力波信号长度刚好超过 0.2 秒。这种波是在宇宙中超重物体相互绕转并发生碰撞时产生的。

2017 年夏天探测到的信号长达 100 秒，因此立刻就可以看出这一定是新现象。引力信号停止后不久，伽马射线爆发就被记录下来；后来在各种波长范围内观察到爆炸的余辉，并检测到金和铂等重元素的痕迹。

该事件被确认为两颗中子星的碰撞。同时观测引力波和电磁信号开启了观测天文学的新篇章。“事实上，光学信号对于在天空中发现这颗恒星起到了决定性作用，”天体物理学家斯塔尔解释道。

我们的“耳朵”通向宇宙

几个世纪以来，天文学仅限于对可见辐射的观测。随着对电磁波谱的深入了解，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。

一百年前，当阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论时，他也提出了这样的想法：可能存在与电磁波谱无关的波。与声波类似，它们应该会使远处的测试样本稍微“摆动”。

大型加速物体应该会向太空发送这样的波。然而，在地球上，引力波引起的摆动非常微弱，以至于运动比原子的直径小得多。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。

这是通过所谓的激光干涉仪实现的。它们由两个臂组成，臂的末端有镜子。激光束进入干涉仪，并在中间的分束器处分束。

激光会传播到两个臂端的镜子，然后返回到分束器。如果臂端镜子的位置发生变化，则相应激光束的传输时间会有微小变化。可以通过将受影响镜子发出的激光束与镜子未移动的另一干涉仪臂发出的激光束进行比较来测量这一变化量。

即使对于物理学家来说，当前引力波探测器的测量精度也总是令人惊讶的：“我们测量的精度小于质子直径的二千分之一，”斯塔尔教授解释道。

“具有讽刺意味的是，我们需要以我们已知的最小粒子尺度的精度来探测宇宙中最大的事件——黑洞合并，”他补充道。

测量引力波的首次尝试可以追溯到 1960 年代。然而，只有目前第二代激光测量设备才能达到这种极高的精度，目前已经探测到约 100 次黑洞或中子星碰撞。

爱因斯坦望远镜

斯塔尔教授是德国爱因斯坦望远镜社区的成员，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应比目前使用的设备高出十倍。计划中的引力波观测站以广义相对论创始人爱因斯坦的名字命名为“爱因斯坦望远镜”。

“我们希望用它来研究一个比目前宇宙中可能出现的引力波大一千倍的区域。然后我们应该会发现更多现有仪器灵敏度不够高的来源，”这位天体物理学家解释道。这也适用于发射较低频率引力波的较重物体。

爱因斯坦望远镜将由三个嵌套探测器组成。每个探测器将配备两个激光干涉仪，臂长 10 公里。为了尽可能地屏蔽干扰，天文台将建在地下 250 米处。

然而，科学家们已经在思考更远大的目标。斯塔尔教授在描述这一愿景时表示：“爱因斯坦望远镜将与新一代创新天文台合作，探测范围从无线电到伽马射线的电磁波谱。我们称之为多信使天文学。”

“除了‘耳朵’来听引力波，我们还会拥有‘眼睛’来探测不同的信号。这些设备将共同提供前所未有的宇宙事件的现场直播。”

到目前为止，你可以随意观察天空，希望看到短暂的闪光。未来，引力波探测器将持续运行，并在信号出现时“监听”。如果多个这样的探测器捕捉到信号，就可以计算出信号的来源区域，并让其他光学望远镜对准它。就像 2017 年夏天的中子星碰撞一样，届时将可以进行多次系统测量。

科学家希望从中获得许多新的见解，例如有关早期宇宙或有关所有比铁重的元素形成的碰撞。

欧洲和世界各地的探测器

如此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一起组成一个全球探测器网络。2021年，欧洲人将爱因斯坦望远镜纳入了欧洲研究基础设施战略论坛（ESFRI）的路线图。ESFRI成立于2002年，旨在使各国政府、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，该望远镜已进入准备阶段。预算估计为 18 亿欧元。预计每年运营成本约为 4000 万欧元。建设计划于 2026 年开始，观测将于 2035 年开始。

目前正在进行选址研究。预计将于 2024 年做出决定。目前正在研究两个可能的选址：一个位于撒丁岛，另一个位于德国、比利时和荷兰边境三角区的默兹-莱茵河地区。在评估选址时，研究合作伙伴不仅必须考虑建设的可行性，还必须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好处：18 亿欧元的成本中，很大一部分将用于建设措施。仅举两个例子，需要 3×10 公里的隧道和 12×10 公里的真空管道。已有相当多的公司参与了该项目。

一个大型团队已经在各个地点开发实际的测量设备。除了亚琛工业大学，还包括位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT)。那里目前正在开发新的激光器，如果没有这些激光器，新的测量就不可能实现。

“我们为爱因斯坦望远镜的潜在用途而开发的技术在设计上是独一无二的，专门用于测量引力波，”弗劳恩霍夫 ILT 的项目经理帕特里克·贝尔证实道，他作为爱因斯坦望远镜社区的研究单位负责人，代表弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和生产技术研究所 IPT 的研究小组以及亚琛工业大学激光技术 LLT 和光学系统技术主席的研究小组。

“不过，简单来说，为这一应用领域开发的激光技术也可能对其他应用感兴趣，例如量子技术。但所获得的知识也有助于激光在医疗技术领域的发展：例如，2 µm 的波长适合粉碎肾结石和膀胱结石。”

归根结底，这就是弗劳恩霍夫 ILT 自成立以来一直在做的事情：通过研究制造适合工业应用的高端激光器。

资金尚未完全到位。斯塔尔教授预计最终决定将在未来两年内做出。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 年进行第一次测量。”

什么让阿齐姆·斯塔尔这样的研究人员如此着迷？“利用引力波，我们可以比用普通望远镜看得更远。”这位天体物理学家解释道。

“在天体物理学中，深入宇宙意味着——最重要的是——回顾过去。借助爱因斯坦望远镜，我们将收到星系和第一颗恒星形成时的信号。这比光学手段所能追溯到的还要久远。我们将在看到宇宙爆炸之前，就通过引力波听到它们。”

爱因斯坦望远镜的探测器灵敏度更高，可以更早地“听到”信号，从而让其他望远镜有更多时间进行校准。过去，看到这样的事件更像是一种幸运的巧合。现在，首次可以进行系统测量。激动人心的时刻即将到来——而且不仅仅是对于天体物理学家而言。