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

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，后续又记录了数十次类似的“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，它们还将迎来重大的升级。

完整测量需耗费数小时，支持完全自动化 / 远程控制。（图自：Caltech）

通过持续的升级，研究人员预计 LIGO 天文能够探测到越来越多的此类宇宙极端事件。进而有助于我们揭开宇宙的基本谜团，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。

提升引力波天文台灵敏度的一个重要因素，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。

镜片上涂覆的反射材料，基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。

通常情况下，反射镜越多、仪器就越灵敏，但研究人员也遇到了一个问题 —— 这种涂层会导致仪器产生背景噪声，掩盖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《物理评论快报》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 反射镜中的背景噪声减少到了 1/2，还让引力波天文台能够探测的空间范围增加了 1/8 。

测量系统的真空室窗口之一，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情的限制。基于此，研究团队希望在理论可行的边缘，找到一种突破性的新材料”。

真空室内部视图，可同时测量四个不同材料的样品。

加州理工学院 LIGO 实验室执行主任 David Reitze 补充道：“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、提升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合作项目，其借助了斯坦福的 SLAC 同步加速器来完成涂层表征，此外这项新进展有望在未来的通信与半导体领域发挥重要作用。

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 使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

然而镜子本身的任何抖动 —— 甚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。

每次光线在两种不同材料之间通过时，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）。

但通过添加多层不同的材料，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：“这项工作的重要之处，在于我们开发了一套新方法来更好地测试材料”。

现能够在大约 8 小时内，完全自动化地测试新材料的特性，远低于此前将近一周的时间。这使得研究人员能够遍历元素周期表，以尝试各种不同的材料组合。

研究配图 - 1：涂层材料 损耗测量

科罗拉多州立大学教授、LIGO 科学合作组织成员 Carmen Menoni 补充道：“通过定制工艺，我们找到了满足光学质量和降低镜面涂层热噪声的严格要求的新方法”。

具体说来是，Carmen Menoni 与同事们尝试使用了一种被称作“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材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、与氧结合、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

如果一切顺利，新涂层可能被用于 LIGO 的第五次观测运行。作为Advanced LIGO Plus 计划的一部分，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 计划的最后一次观测），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，已经发表在近日出版的《物理评论快报》（The Physical Review Letters）上。

原标题为《Low Mechanical Loss TiO2：GeO2 Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers》。