突破性重力波技術：改寫宇宙認知的新篇章

一項嶄新的自適應光學技術即將徹底改變重力波的探測方式，讓雷射干涉重力波天文臺（LIGO）以及未來的天文臺如「宇宙探索者」邁向全新的高度。這項技術透過校正鏡面扭曲，使雷射功率達到極限，幫助科學家探索宇宙的初始時刻，並深化我們對黑洞與時空的理解。

近期發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的研究，由加州大學河濱分校的Jonathan Richardson主導，展示了這項光學技術的突破性進展。這項技術不僅能提升現有的探測能力，更為下一代天文臺的建設奠定基礎。自2015年首次探測到重力波以來，LIGO已徹底改變了我們觀測宇宙的方式。未來，LIGO的4公里探測器將進行升級，並計劃建造40公里的「宇宙探索者」，目標是將重力波探測延伸至宇宙歷史的最初時刻，甚至早於第一顆恆星的形成。

然而，要實現這一目標，必須將雷射功率提升至超過1兆瓦，這遠遠超出了LIGO目前的能力。這項研究提出了一種低噪音、高解析度的自適應光學系統，能夠克服這一限制。該技術校正了LIGO重達40公斤的鏡面在雷射功率增加時產生的扭曲，使雷射功率達到極限，大幅提升重力波探測器的靈敏度，讓我們更接近捕捉宇宙中最遙遠且難以捉摸的訊號。

Jonathan Richardson解釋了重力波的本質以及LIGO如何探測這些波。他提到，重力波是觀察宇宙的新方式，由廣義相對論的方程式預測。當宇宙中的巨大物體加速或碰撞時，時空結構會產生扭曲，並以光速向外傳播，這些扭曲就是重力波。與電磁波一樣，重力波攜帶能量與動量，讓我們能夠深入瞭解黑洞等極端天體以及時空的本質。

LIGO是全球最大的科學裝置之一，由兩個4公里長的雷射干涉儀組成，分別位於華盛頓州與路易斯安那州。自運作以來，LIGO已觀測到約200次恆星質量緻密天體的碰撞與合併，其中絕大多數是黑洞合併，但也有中子星合併的事件。Richardson希望未來能探測到完全出乎意料的天體，就像每次開發出新型電磁望遠鏡時，總能發現宇宙中前所未見的現象。

Richardson的研究團隊開發了一種新型雷射自適應光學技術，旨在克服量子力學對探測器靈敏度的限制。這項技術能夠直接對LIGO干涉儀的主鏡進行精確光學校正，並在鏡面前方投射低噪音的紅外輻射，這是一種全新的非成像光學方法，首次應用於重力波探測。

「宇宙探索者」是美國下一代重力波天文臺的構想，其規模將是LIGO的10倍，擁有40公里長的干涉儀臂，成為有史以來最大的科學儀器。在其設計靈敏度下，這臺探測器將能夠觀測到宇宙早期，甚至早於第一顆恆星形成的時刻，讓我們一窺宇宙的初始面貌。

這項研究的重要性在於，它有望解答物理學與宇宙學中最深奧的問題，例如宇宙膨脹的速度以及黑洞的真實本質。目前，關於宇宙區域性膨脹速率的兩種測量結果存在矛盾，而重力波可能提供解決方案。此外，重力波還將提供黑洞事件視界周圍動態的高精度測量，讓我們能夠直接測試廣義相對論與其他替代理論。

參考文獻：Liu Tao等人於2025年2月5日發表於《物理評論快報》的論文「Expanding the Quantum-Limited Gravitational-Wave Detection Horizon」，DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.051401。