新探測器能聽到更多宇宙之聲

五年前，當物理學家首次探測到重力波時，他們為宇宙打開了一扇新的窗戶。重力波是大質量黑洞或中子星碰撞時產生的漣漪。現在，研究人員已經在計劃更大、更靈敏的探測器。而且，美歐之間的競爭已經初露端倪，美國科學家提出建造更大的探測器，而歐洲研究人員則在追求更激進的設計。

美國加州州立大學天體物理學家祖茜蓮·李德（Jocelyn Read）說：「目前，我們只捕捉到最罕見、最響亮的事件，但在宇宙中還有更多的聲音。」加州理工學院物理學家大偉·瑞茲（David Reitze）也表示，物理學家希望新的探測器能在21世紀30年代運行，這意味著他們必須現在就開始計劃。重力波的發現已經吸引了全世界的目光，所以現在是思考接下來會發生什麼的好時機。

目前的探測器都是L形的儀器，叫做干涉儀。激光在懸掛在每條臂的兩端的鏡子之間反射，有些光線會漏出來，在L形臂的彎處會合。在那裡，光的干涉方式取決於臂的相對長度。通過監測這種干擾，物理學家可以發現通過的重力波，這種重力波會使臂的相關數值產生不同程度的變化。

因此，為了探測微小拉伸，干涉儀的臂必須很長。發現第一個重力波的位於路易斯安那州和華盛頓州的激光干涉儀重力波天文台，臂長達四公里。位於意大利的室女座探測器有三公里長的臂。

現在，研究人員現在想要一種靈敏度比現有設備高十倍的探測器。它能發現可觀測宇宙中所有的黑洞合併，甚至可以追溯到第一批恆星出現之前，從而尋找大爆炸中形成的原始黑洞。它還應該能發現數百個千新星（kilonova），揭開中子星超密度物質的本質。

李德説：「美國科學家對新探測器的願景很簡單。我們只想把它做得非常非常大。」。李德正在幫助設計宇宙探索者，一個臂長四十公里的干涉儀，本質上是一個放大了十倍的激光干涉儀重力波天文台。

指導激光干涉儀重力波天文台建設的加州理工學院物理學家巴里·巴里什（Barry Barish）說，這種批量設計可能使美國能夠負擔得起多個分離的探測器，這將有助於新設備像現在的激光干涉儀重力波天文台和室女座探測器一樣精確定位天空中的事件源。

但安置這樣巨大儀器可能很棘手。四十公里的臂必須是直的，但地球是圓的。如果L形的彎道位於地面上，那麼干涉儀的末端可能必須放在三十米高的護堤上。因此，美國研究人員希望找到一個碗狀區域，以便容納這種結構。

相比之下，歐洲物理學家設想了一個地下重力波天文台，稱為愛因斯坦望遠鏡。意大利國家核物理研究所物理學家、愛因斯坦望遠鏡指導委員會聯合主席米歇爾·蓬圖羅（Michele Punturo）說：「我們想要實現一個能夠在五十年內承載探測器所有進化的基礎設施。」

愛因斯坦望遠鏡將由多個V形干涉儀組成，臂長十公里，排列在一個深埋地下的等邊三角形中，以幫助屏蔽振動。借助指向三個方向的干涉儀，愛因斯坦望遠鏡可以確定重力波的偏振度，幫助科學家在天空中定位重力波的來源，並探測重力波的基本性質。

蓬圖羅表示，愛因斯坦望遠鏡預計耗資十七億歐元（大約港幣一百五十七億元），包括用於隧道和基礎設施的九億歐元。研究人員正在考慮兩個地點，一個靠近比利時、德國和荷蘭的交匯處，另一個在撒丁島。相關計劃正在等待審議。

美國的提議則不那麼成熟。研究人員希望美國國家科學基金會提供六千五百萬美元用於設計工作，這樣就可以在本世紀20年代中期對這台價值十億美元的機器做出決定。但物理學家們都希望這兩台新設備能在2030年代中期啟動。

【圖：愛因斯坦望遠鏡指導委員會；文：節錄自科學網頁；新聞訊息由林景明提供】