开启天文学新时代的爱因斯坦望远镜

原作：弗劳恩霍夫激光技术研究所

翻译：刘峰

校对：吕梓欣

编排、后台：朱宸宇

原文链接：

https://phys.org/news/2024-06-einstein-telescope-era-astronomy.html

爱因斯坦望远镜建在正在地下约250米处建造。，将包括三条隧道，每条隧道长10公里，。未来它将用于测量早期宇宙中黑洞的碰撞。图片来源：NIKHEF

虽然这目前还只是一个计划，但在不远的将来，这台新的望远镜可能很快就会用于测量引力波。引力波类似于宇宙的声波，在黑洞或中子星碰撞时产生。

作为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探测和分析引力波，从而进而更好地了解我们的宇宙。这架望远镜计划在德国、比利时和荷兰的三国的交界处选址建造。

宇宙如何制造黄金

2017年8月17日，一个平平无奇的夏日，但夏天对天文学家来说却是极其激动人心的一天：8月17日，在这一天，三个引力波探测器记录捕捉到了一个全新的信号。瞬间，世界各地数百台望远镜立即对准了疑似的信号起源点，并在那里确实明确地看到了一个发光的天体。这是第一次历史上首次同时通过从光学和引力波中探测到两颗中子星的碰撞。

中子星在宇宙中是非常特殊的东西：它们是燃烧殆尽的恒星，不再发出任何可见辐射。它们的重量比我们的太阳略重，但它们的质量却被压缩到一个直径小于20公里的球体中。它们的碰撞能产生巨大的力，甚至能撕裂原子核，喷射出大量的物质，它们碰撞的力量是如此之大，以至于原子核被撕裂，大量的质量被喷射出来，并且可以形成黄金等重原子。

“与中子星的质量相比，产生的金非常少，仅有相当于几个月球的质量。”亚琛工业大学的天体物理学家阿希姆·斯塔尔（Achim Stahl）教授笑着解释道。

“但研究人员非常确定，宇宙中的大部分黄金都是在这些巨大的爆炸中产生的。”因此，我们戴在手指上的金戒指已经经历了星系级的历史。

引力波探测器开启了天文学的新篇章

多亏了引力波探测器，我们已经对中子星的碰撞有了更多的了解。按照星系的标准，这些都是非常快的过程这些过程转瞬即逝。在过去，如果我们非常幸运，我们可以记录到持续不到一秒钟的伽马射线暴只有在运气极好的情况下才能记录下持续时间不到一秒钟的伽马射线暴。当黑洞碰撞时，用目前的引力波探测器可以测量到的信号非常短暂。

2015年测量到的第一个引力波的信号长度刚刚超过0.2秒。当超重的物体，如黑洞或者中子星，在宇宙中相互绕行然后碰撞时，就会产生这种波。

2017年夏天检测到的信号长达100秒，因此很明显显然，这一定是新事物。在引力波信号停止后不久，伽马射线暴被记录下来。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。

该事件被确定为两颗中子星的碰撞。引力波和电磁信号的同时观测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寻找恒星起着决定性作用。”天体物理学家斯塔尔解释说。

聆听宇宙的“耳朵”

几个世纪以来，天文观测仅限于可见光波段。随着对电磁波谱的更好理解理解的深入，天文学家增加了许多新的观测方法，如射电天文，并通过计算和模拟显着著扩展了人类的知识。

一百年前，当阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在提出广义相对论时，他也提出了可能存在引力波这种非电磁波谱的波的想法。引力波会导致空间微小的扭曲，即时空涟漪。

高速大高质量的天体会在太空中发送这样的引力波。然而，在地球上，引力波引起的摆动非常微弱，甚至于比远小于原子的直径还小得多。尽管如此，我们现在已经有能力测量引力波。对于天文学家来说，这是一个新时代。

这是通过所谓的激光干涉仪实现的。它们由两个臂组成，两端有镜子。激光束进入干涉仪，并在中间的分束器处被分光。

激光行进到两个臂末端的反射镜，然后返回分束器。如果反射镜在臂末端的位置发生变化，则相应激光束的传输时间会发生微小的变化。该量这个数值可以通过将来自受影响反射镜的激光束与来自反射镜未移动的另一个干涉仪臂的激光束进行比较来测量。

目前的引力波探测器拥有极高的精度，这种精确度即便是在物理学家眼里也是十分惊人的：在目前的引力波探测器中，这种测量的精度总是令人惊讶，即使对于物理学家来说也是如此：“我们可以精确测量小于质子直径千分之一的细微变化。我们的测量精度可精确到质子直径的千分之一”斯塔尔教授解释说。

“很有意思吧是不是很意外？我们需要在我们已知的最小粒子尺度上精确地探测宇宙中最宏大的事件，即黑洞的合并，宇宙中最大的事件，需要精确到我们已知的最小粒子的尺度才能探测到。”他补充道。

早在20世纪60年代便已经对引力波测量进行了第一次尝试。测量引力波的第一次尝试是在1960年代进行的。然而，当时的设备并不能满足引力波测量的需要，只有目前当前的第二代激光测量设备才能达到这种极高的精度，现在已经探测到大约100次黑洞或中子星的碰撞。

爱因斯坦望远镜

斯塔尔教授是德国爱因斯坦望远镜筹备组的成员，他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该会比目前使用的测量设备高十倍。计划中的引力波天文台将以广义相对论创始人的名字命名，为即“爱因斯坦望远镜”。

“这个引力波望远镜的观测范围比目前的如今宇宙中引力波的可能范围要大一千倍，并且能够探测目前仪器无法探测的引力波源，这也适用于以较低频率发射引力波的较重天体”。

爱因斯坦望远镜将由三个组嵌套的探测器组成。这些探测器中的每一个都将有两个具有臂长10公里长臂的激光干涉仪。为了尽可能多地屏蔽干扰，天文台将建在地下250米处。

然而，科学家们已经在考虑得更远的目标了。“爱因斯坦望远镜将与新一代创新的天文台合作，研究从射电到伽马射线的电磁波谱。我们称之为多信使天文学。”斯塔尔教授在描述这一愿景时说。

“除了聆听引力波的'耳朵'之外，我们还将拥有探测非常不同的信号的'眼睛'。总之，这些它们将提供展示前所未见的宇宙事件的实时画面。”

目前的天文观测，还是漫无目的地观察天空，并希望发现短暂的闪光。在未来，引力波探测器将持续“监听”宇宙的回响。如果几个这样的探测器捕获到引力波信号，则可以计算其坐标，并将其他光学望远镜立即对准进行观测。与2017年夏季的中子星碰撞一样，届时将有可能进行几次系统性的测量。

科学家们希望从中获得许多全新的见解，例如，关于早期宇宙或所有比铁重的元素形成的碰撞。

欧洲和世界各地的探测器

如此复杂的观测需要全球合作。美国也正在开发第三代引力波探测器的概念设计。

“宇宙探测器宇宙勘探者（Cosmic Explorer）”将与爱因斯坦望远镜形成一个全球引力波探测器网络。2021 年，欧洲人将爱因斯坦望远镜纳入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开发和支持欧洲研究基础设施的概念。

随着被纳入ESFRI路线图，爱因斯坦望远镜已进入准备阶段。预算估计为18亿欧元。预计每年的运营成本约为4000万欧元。计划于 2026 年开始施工，将于 2035 年开始进行观测。

目前正在进行研究望远镜的选址。预计将在 2024 年做出决定。目前正在调查两个可能的地点：一个在撒丁岛，一个在德国、比利时和荷兰边境三角地带的欧雷焦默兹-莱茵河。在评估现场选址时，研究合作伙伴不仅要考虑施工的可行性，还要预测当地环境对探测器的灵敏度和操作的影响程度。

该项目有望为向有关地区许诺，会带去来许多好处：18亿成本中的很大一部分将用于基建部分。仅举两个例子，该项目需要建设三条十公里的隧道和十二条十公里的真空管道。相当多的公司已经参与加入了这个项目。

一个大型团队已经在各个地点研究实际的测量设备。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。该研究所目前正在开发新的激光器，没有它，新的测量是不可能的。

“我们在这里为爱因斯坦望远镜开发的东西在设计上是独一无二的，专门用于测量引力波，”来自弗劳恩霍夫激光技术研究所的项目经理帕特里克·贝尔（Patrick Baer）Patrick Baer证实，他作为爱因斯坦望远镜筹委会的研究部门负责人，代表亚琛工业大学弗劳恩霍夫激光技术研究所、生产技术研究小组，以及同时也是激光技术和光学系统技术的主席。

“然而，在简化版本中，为这一应用领域开发的激光技术也可应用在其他领域，例如量子技术，以及医疗技术中激光技术，例如其使用2μm的波长适用于粉碎肾结石和膀胱结石。”归根结底，弗劳恩霍夫激光技术研究所长期致力于使其研究的高端激光器适合各类应用场景。

目前资金尚未完全到位，斯塔尔教授预计在未来两年内敲定最终选址做出最终决定。首先接下来，是规划人员会率先开始工作，然后是隧道建设者，最后是激光物理学家。“我希望我们能够在2035年进行首次测量。”

是什么让像阿希姆·斯塔尔这样的研究人员着迷？“有了引力波，我们可以比普通望远镜更深入地观察宇宙。”天体物理学家解释说。

“在天体物理学中，更深入地研究宇宙意味着回顾过去。通过爱因斯坦望远镜，我们将接收到星系和第一批恒星形成时的信号。这比现有的光学手段探测到的信号要更久远。在我们通过光学手段看到大爆炸之前，我们将首先听到与之相伴生的引力波。

爱因斯坦望远镜更灵敏的探测器会更早地“听到”信号，并给其他望远镜更多的时间来对准目标。在过去，看到这样的事件更像是一个幸运的巧合。现在，多信使天文的系统性测量首次成为可能。激动人心的时刻即将到来。

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牧夫新媒体编辑部