引力波天文台迎来新镜面涂层有望将LIGO探测范围扩展至全宇宙

柳岩 · 发表于 2021-11-4 19:51:29|来自：中国

自从 2015 年首次探测到一对黑洞碰撞产生的引力波信号以来，LIGO 和位于欧洲的 Virgo 天文台，后续又纪录了数十次类似的“宇宙涟漪”。SCI Tech Daily 指出，由美国国家科学基金会（NSF）资助的 LIGO 天文台，分别位于美国华盛顿州的汉福德、以及路易斯安那州的利文斯顿。不久后，它们还将迎来庞大的升级。

完备丈量需泯灭数小时，支持完全自动化 / 远程控制。（图自：Caltech）
通过持续的升级，研究职员预计 LIGO 天文能够探测到越来越多的此类宇宙极度事件。进而有助于我们揭开宇宙的根本谜团，比如黑洞是如何形成的、以及我们所处的宇宙成分是怎么来的。
提拔引力波天文台敏捷度的一个紧张因素，就是位于仪器中心的玻璃反射镜上的涂层。两座 LIGO 天文台的每个探测器中，都配备了四块 40 公斤（88 磅）重的反射镜。

通过将涂层沉积到比真实反射镜更小的玻璃盘上，来简化测试处理。
镜片上涂覆的反射质料，根本上可将玻璃变身为一面镜子，用于反射穿过仪器、对引力波极其敏感的激光束。
通常环境下，反射镜越多、仪器就越敏捷，但研究职员也遇到了一个问题 —— 这种涂层会导致仪器产生配景噪声，掩饰掉我们实质上更感兴趣的引力波信号。

照片中的粉色，由玻璃表面沉积的一层薄金属氧化物涂层所致。
好消息是，在近日发表于《物理批评快报》上的一项新研究中，LIGO 团队介绍了一种由氧化钛和氧化锗制成的新型反射镜涂层。
可知新涂层不仅将 LIGO 反射镜中的配景噪声减少到了 1/2，还让引力波天文台能够探测的空间范围增加了 1/8 。

丈量体系的真空室窗口之一，红点由探测激光束产生。
加州理工学院 LIGO 高级研究科学家 Gabriele Vajente 指出：“我们研究宇宙天文尺度的能力，受到了这个非常微小的围观空间中所发生的事变的限制。基于此，研究团队希望在理论可行的边沿，找到一种突破性的新质料”。

真空室内部视图，可同时丈量四个差异质料的样品。
加州理工学院 LIGO 实验室实行主任 David Reitze 增补道：“在新涂层的加持下，我们有望将引力波的探测率，从每周一次、提拔到每天一次或更多次”。
作为加州理工与科罗拉多、蒙特利尔、斯坦福等大学研究机构的一个互助项目，其借助了斯坦福的 SLAC 同步加速器来完成涂层表征，别的这项新进展有望在将来的通信与半导体范畴发挥紧张作用。

将样品放入腔室内后，需经过一些微调，以确保水平且完美居中。
据悉，LIGO 利用了被称作干涉仪的探测器来探测“时空涟漪”（引力波信号）。装置将一束强大的激光分成了两束，然后分别沿着一条大型 L 形真空腔的下臂，传播到 4 公里外的镜子上。
然后镜子又会将激光束反射回光源，若其受到了引力波的干扰，就会产生几乎无法察觉（远小于质子宽度）的拉伸和空间挤压 —— 进而扰动改变两束激光返回光源的时间。

腔室必须被抽到低于地球大气压的十亿分之一
然而镜子自己的任何抖动 —— 乃至涂层中原子的微观热振动 —— 都会影响激光束到达的时间，使得引力波信号更难以被分离。
每次光线在两种差异质料之间通逾期，都会反射一部分光线，这与我们在窗户上观察到的现象是一样的（可在玻璃上看到自身微弱的反射）。
但通过添加多层差异的质料，我们可以更好地增强每次反射，直至镜子的反射率达到 99.999% 。

Gabriele Vejente（图自：Caltech）
Gabriele Vejente 表示：“这项工作的紧张之处，在于我们开辟了一套新方法来更好地测试质料”。
现能够在约莫 8 小时内，完全自动化地测试新质料的特性，远低于此前快要一周的时间。这使得研究职员能够遍历元素周期表，以尝试各种差异的质料组合。

研究配图 - 1：涂层质料损耗丈量
科罗拉多州立大学教授、LIGO 科学互助组织成员 Carmen Menoni 增补道：“通过定制工艺，我们找到了满足光学质量和低落镜面涂层热噪声的严酷要求的新方法”。
具体说来是，Carmen Menoni 与同事们尝试利用了一种被称作“离子束溅射”的方法来涂覆镜子。

研究配图 - 2：退火持续时间 / 损耗影响
最终他们发现，由氧化钛和氧化锗组合制成的涂层质料所散耗的能量最少（相当于减少了热振动）。
而在制造过程中，钛和锗原子从源上剥离、与氧联合、然后沉积在玻璃上，以形成原子薄层。

研究配图 - 3：频率 / 损失角
假如一切顺遂，新涂层大概被用于 LIGO 的第五次观测运行。作为Advanced LIGO Plus 筹划的一部分，下一次运行定于本世纪中期开始。
在此之前，LIGO 的第四次运行（即 Advanced LIGO 筹划的最后一次观测），将于 2022 年夏季开启。

研究配图 - 4：Advanced LIGO+ 干涉仪的噪声水平
有关这项研究的详情，已经发表在近日出书的《物理批评快报》（The Physical Review Letters）上。
原标题为《Low Mechanical Loss TiO2：GeO2Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers》。