漫长的道路探测重力波

1月份从锡拉丘兹大学物理学家彼得萨森的电子邮件抓住了我卫队。它可能不应该有，因为我一直在预期这个消息16年以来，我曾经写过爱因斯坦未完成的交响乐。这本书编年史而驰的天体物理社区最前沿的初创公司：重力波天文学。

Saulson的消息意味着爱因斯坦的交响曲不再是“未完成的。引力波（共同缩略图中的重力波），来自爱因斯坦的一般相对性方程引起的历史预测从未直接检测到。但现在，由于两个碰撞黑洞，在几十年的血液，汗水和无法估量的挫折之后，终于完成了未完成的任务。获得重力波检测器工作需要很长时间。除此之外，发现的宣布是在爱因斯坦在引力浪潮中写下他的第一篇论文之后几乎完全100年。“好像那些黑洞正在等待那一刻，”Saulson说。

在1916年和1918年在皇家普鲁士科学院的诉讼程序中公布的论文中，爱因斯坦推出的推理只是作为电磁波等电磁波，当电荷上下行驶的天线时，引力辐射波（他当批量移动时，也必须制造称为引力。

但这些波浪不通过光线的空间行驶;他们在Spacetime非常框架中实际上是Quakes。可检测的隆隆声来自宇宙的最暴力事件中，宇宙必须提供 - 例如两个大规模黑洞的凶猛遭遇（由两次重力波观察者记录）在十亿多年前在一个发感的拥抱中融合。交替伸展和挤压空间，黑洞冲突的波浪就会向12英尺长到12英尺，在毫秒内，挤压他到3英尺，然后再次伸展他。

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爱因斯坦从未想过他的海浪这样的令人令人发灵的来源。鉴于1910年代假设宇宙的相对安静的性质，他在向外掀起波浪的波浪，因为两颗恒星彼此简单地轨道。他和他人知道那些时空涟漪会很虚弱，当然太弱，不能打扰他们。其他人想知道他的引力根本不存在，并且相当只是相对论数学的虚构文物。一般相对主义者在这个问题上来回争论多年。

希望和失望

但是，在20世纪50年代后期，僵局转移，当时一位名叫约瑟夫韦伯的年轻马里兰州物理学家决定建立一个重力波探测器来解决这个问题。实验相对论此时正在进行一个文艺复兴，韦伯被普林斯顿物理学家约翰·克·乔布尔德惠勒（John Archibald Wheeler）鼓励，然后是美国一般相对性的院长，寻找实际波浪。

对于他的设计，韦伯围绕着坚实的热水器柱铝合金 - 一个带传感器的条形，假设通过波浪将导致棒像铃铛一样谐振。传感器将振荡转换为在纸张图表记录器上注册的电信号。他推理的两个探测器分隔数百英里，需要排除局部噪音。1969年，Weber Grandly在辛辛那提的一个相对论会议上宣称，他同时录制了两个酒吧的信号，位于马里兰州校区，另一个位于芝加哥附近的阿尔冈国家实验室。有限者呼唤着掌声的公告（

SN：6/21/69，p。 593

).流行的新闻覆盖着他的发现是半个世纪的物理学中最重要的事件。“毫无疑问，许多人将被吓到”

纽约时报

.一年后，韦伯宣称，信号从银河系中的中心发出，可能来自超新星，从脉冲开始，最近发现的快速纺纱中子恒星。

很快其他物理团体建立了自己的探测器。但他们没有检测到任何波浪。然而他们没有放弃。到了20世纪80年代，各国的团队建造了更大的条形探测器，以提高灵敏度。它们调整了设计，将探测器包装在过冷流体中以减少热噪声。但是，再次，没有记录信号。虽然韦伯仍然被淘汰出跳跃的领域，但缺乏验证损害了他的声誉，虽然他坚持直到2000年死亡，他的探测器是录音波。今天，物理学家将索赔归结为噪音，相信韦伯并没有完全理解在他的酒吧内发出的自​​然噪音。

但是，虽然酒吧技术已经成熟，但是一种新的重力波检测策略表面 - 一种称为激光干涉测量法的方法。苏联的两位研究人员，Mikhail Gertsenshtein和V.I. Pustovoit，于1962年首次发表了这个想法，但他们国家之外没有人意识到这一点。韦伯也是简单地想到了这种技术，但从未发表过。1966年，MIT的Rainer Weiss也独立地提出了该计划 - 并以偏远的方式提出了该计划。

弹跳激光器

要求教授一般相对论的课程，Weiss曾在重力中作为实验主义者，而不是理论家，而不是理论家争吵。“我无法承认我不知道。我在学生前一场运动只是一个运动，“他于1999年说。到达重心波浪的话题，并希望从更多的动手的角度来看，他想出了一系列家庭作业。想象一下，他告诉他的学生，三个群众悬挂在地上，定向形成L形。这些群众之间的距离将如何随着引力波改变而变化？他知道重力波在一个方向上压缩空间（例如，南北），同时将其扩展到另一个（东西）。稍后毫秒，随着波浪通过，效果逆转。当Weiss为自己制定解决方案时，他知道他有一个善良的实验。在肿块之间连续反弹激光束，使光束最终重新组合（光学上“相互干扰）以测量重力波移位，并且您有一个探测器！它对酒吧有一个很大的优势。虽然杆可以仅调谐到一个频率，而激光干涉仪可以注册更广泛的频率，从而增加检测源的机会。

到1972年，Weiss为MIT的MIT研究实验室撰写了一个标志性报告，识别可能掩盖这种设置中信号的所有基本噪声源。本文仍由引力波研究人员今天签下。从那时起，Weiss致力于他的大部分职业生涯，让激光干涉仪构建并找到减少这些噪音的手段。有额外的激励措施这样做：1974年，在1974年射频Artonomers Joseph Taylor和Russell Hulse，那么在马萨诸塞大学，发现一个中子星绕着密集的伴侣，每年的两个绘画近约几米 - 只是距离物理学家的变化二进制对作为重力波失去轨道能量。虽然证明是间接的（并且浪潮本身太弱到衡量），但它大大鼓励了来源将可用的重力波天文社区。

Kip Thorne（右）画出了1999年讲座从大爆炸的重力波上面的草图。

在20世纪80年代，Weiss与Caltech Theorist Kip Thorne队的重力波浪，以及苏格兰实验主义者罗纳德·弗龙，也在Caltech，越过小型实验室原型，漫长而跨越两个大型实验室原型代替。在一对探测器的几乎同时接收到地理位置的远端将验证光线速度通过的波。增加武器中的激光的路径将放大检测器的敏感性。astrophysicals，如超新星爆炸或黑洞碰撞，在时空产生涟漪，这将是致命的，但随着那些波到达地球的时间，它们会使干涉仪质量小于质子的宽度。需要公里长的武器来测量这种微妙的运动。

1983年完成了对此大胆提案（后来被称为激光干涉仪重力波天文台）的可行性研究。该报告最终使国家科学基金会（特别是NSF行政人员Marcel Bardon和Richard Isaacson）进行了机会。但是，Ligo估计的建筑成本（它上升到近3亿美元）的是，这是NSF首次必须转向国会获得项目的批准。当天文学家和物理学家听说该提案时，一些人变得非常声乐，激怒了NSF建议在赌博上使用宝贵的资金而不是经过验证的技术。因此，Ligo提案经历了无数的起伏，几乎取消了多次（SN：6/26/93，p。 408; SN：1/8/00，p。 26）。

1992年，当CALTECH物理学家Rochus Vogt发生了一个关键的转折点，然后是Ligo导演，与Louisiana Sen.J.Bennett Johnston会面，后来成为该项目的热烈支持者。Vogt最初只有20分钟，但他的宇宙学的故事如此迷人的约翰斯顿，参议员取消了他的接下来的三个任命。几个小时后，两人蜷缩在参议员的咖啡桌上，而Vogt则描绘了弯曲的时空的照片。再一次，爱因斯坦的名字曾经工作过魔术。国会最终授权资金建立两个探测器，每个探测器都有4公里的武器。洛杉矶，哈福的西北部，另一英里位于Laive Ston，距离西北有1,900英里。

1994年的那些第一代探测器被打破了地面。两者都在2001年上运行。主要是试验床，以试验寻找重力波所需的新技术，第一个Ligo预计不会注册任何波浪。但它仍然是它的工作。从每个探测器的性能中学到的利戈合作者进入了创新仪器的设计，这在过去五年中逐渐安装。这种升级称为高级利罗，导致了宾果游戏的敏感性增加，一旦它开始运营，就发现了重力波。

全球仪器已经在加入利戈的任务。一种像欧洲协作一样称为处女座的像素样探测器，自2007年以来一直在比萨外面的广大冲积平原上运作。（在高级Ligo注册其第一重力波时，仪器改进处于脱机。）一个名为Geo600的较小干涉仪，武器600米，在德国运行。其他探测器正在日本建设中，并计划为印度进行计划。

全球追求

重力波探测器在美国，德国和意大利运营，在印度和日本的作品中有两个。研究人员预计扩展网络可以提高检测信心和源定位准确性。

但是地球上的激光干涉仪在它们可以注册的频率（大约10到几千赫兹）的频率有限，这使得光学望远镜不能看到无线电波或X射线的方式。为了扩展该范围，因此可以检测来自各种来源的重力波事件，重力波天文学家也在追求其他方法。一个聪明的方案是基于学习的天文物体 - 脉冲条件，由于快速旋转中子恒星发出的蜂鸣声的低风节奏（SN：）是宇宙中最精致的时计（SN：10/17 / 15，p。 24）。通过紧密地监测位于天空周围的特殊快速脉冲线的阵列中，天文学家在脉冲中的极低频率重力波（10-9to 10-6Hertz）上的脉冲的稍微变化，通过在脉冲节之间的极低频率和地球探测器。超大分离的黑洞二进制文件将在合并星系的中心慢慢轨道时发出这些巨大的波浪。最终，研究人员希望将激光干涉仪发送到太空。欧洲航天局正在致力于推出演进激光干涉仪空间天线的提案（在线SN：12/3/15），这将能够检测较弱的重力波。

一个新的天文学

世界目睹的是新的天文学的诞生。在遥远的宇宙中检测那些两个黑洞的涟漪，就像伽利略在1609年通过望远镜在天堂偷看。伽利略发现了月亮上的卫星轨道轨道轨道，锯齿状的山脉和陨石坑，惊人的奇迹到17世纪的眼睛。现在，重力波天文学准备提供自己的自然新的愿景。

电磁波，是它们可见光，无线电，红外线或X射线，通过扫入原子和电子释放。这种辐射揭示了天体对象的身体状况 - 它是多么热，它是多大的，它看起来像是什么样的。重力波传达出大量不同的信息。他们将讲述大规模物体的整体运动，表明他们如何移动，旋转和碰撞整个宇宙，特别是对于太小而无法直接看的物体，例如中子恒星和恒星黑洞。

“我们现在已经开始探索宇宙中的探索现象，这是由翘曲的时空制成的，”桑切说。“我喜欢把它称为宇宙的翘曲。”在适当的过程中，这种观察方法可以通过收集大爆炸本身的令人敬畏的时空振动发出的剩余重力波来记录第一个纳秒的残余隆隆声。

经过四年多的汹涌澎湃的数十年后，魏士斯终于看到了他的实验梦想成真。他绝望了吗？“不，”他今天毫不犹豫地说。“你不担心最终结果的原因是：问题很有趣，你喜欢你正在使用的人，有趣的事情！“Ever The Device Devical Devical Devical Desion Store Weiss，现在为83，继续前往观察者，卷起他的袖子并检查设备。

他在20世纪70年代的初创理念上致力于少数同事和学生;今天，涉及超过1000人 - Ligo / Virgo Collaborators在世界各地的大学和研究所推进理论和技术。

在1999年的Ligo的路易斯安那州观测站致力于NSF的主任，指出，那些聚集的人是“在现代Galleon的比喻弓中打破了一瓶香槟 - 一种最终可能最终需要我们的重力波天文台比我们曾经去过的时间更远。“通过他们的第一个信号，当转换为音频时，将距离中间C的深层低音和头朝向中间C，Ligo科学家开始他们的旅程，现在能够倾听等待检测的无数事件。

考虑到这一点，我收回了我对这篇文章的开放时所说的。爱因斯坦的交响乐永远不会完成。

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Marcia Bartusiak是麻省理工学院科学写作教授，六本天体物理学和天文学史的作者。