东京大学宇宙射线研究所宣布，捕捉从遥远的宇宙抵达的细微空间扭曲“引力波”的观测设施“KAGRA（神乐）”（岐阜县飞騨市）于5月25日凌晨，时隔3年重新开启国际联合观测。该设施是以探索黑洞等为目的而建立的地下巨大望远镜，但由于灵敏度不足，目前尚未捕捉到引力波。研究团队以上次的观测为基础，找出了观测噪音大于预期的原因，并采取了改善措施。率领研究团队的该研究所梶田隆章教授充满信心地表示：“预计在明年春天达到能够捕捉到引力波迹象的灵敏度。”
建于地下的引力波望远镜“KAGRA”俯视图。L型隧道的边长为3公里（供图：东京大学宇宙射线研究所）
在神冈的山中探测“时空涟漪”
引力波也被称为“时空涟漪”。物体周围的空间因重力而扭曲，当物体移动时，该扭曲像涟漪一样以光速向周围传播的现象就是引力波。1916年爱因斯坦的广义相对论中预言了引力波的存在。
尝试捕捉类似黑洞等重天体合并时产生的引力波的科学观测一直都在进行之中，2015年，由美国的两个观测设施组成的“LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）”首次探测到了引力波。LIGO团队的3人在2017年荣获诺贝尔物理学奖。此后，LIGO和欧洲的“Virgo（处女座）引力波探测器”合作，捕捉到了黑洞之间的合并、部分星体终结时的形态“中子星”的合并，及黑洞和中子星的合并所产生的引力波共计90例。
为了确定引力波到来的方向，需要使用多个引力波望远镜进行三角测量。同时为提高精度，除了LIGO和Virgo之外，还需要在尽可能远的区域再安装一台探测器。为此，以东京大学为中心，在飞騨市神冈町的山区地下约200米处挖掘隧道，建造了KAGRA。该装置的原理是根据从1侧长度为3000米的L型隧道的中心向两个方向发射的激光分别被镜子反射回来的时间差，捕捉引力波。建设成本约164亿日元，于2019年春季竣工。有来自8个国家和地区的约150名研究人员参与了相关成果的论文撰写。KAGRA的KA来源于神冈的首个罗马字读音KA，GRA来源于表示重力的Gravity，据说也有献给神明的“神乐”舞蹈的含义。
梶田教授解释道：“为了调查引力波到来的方向，KAGRA位于东亚地区是极其重要的。人们早就认识到了国际观测的必要性”。梶田教授因对基本粒子的中微子的研究，于2015年获得诺贝尔物理学奖。
了解宇宙的新工具
如果喜欢天文，即便是小孩子也有过透过天文望远镜观察天空的经历吧。该方法是“天文学之父”伽利略在17世纪开始的可见光观测，但进入20世纪后，通过X射线、无线电波以及捕捉来自天体的中微子等方式也可以进行观测。汇集了各种不同观测方法的特点，将成果联合起来，加深对宇宙的理解的研究领域被称为“多信使天文学”。21世纪的今天，在此基础上新加入了使用KAGRA等引力波望远镜的“引力波天文学”。
梶田隆章教授向媒体说明KAGRA时隔三年的观测计划（5月17日摄于东京都文京区的东京大学校园）
关于利用引力波研究的宇宙之谜，梶田教授主要列举了三个：（1）目前基本可以确定金、铂等重元素是通过中子星之间的合并产生的，之后将收集更多的观测实例并进行确认；（2）实际观测到的黑洞比预想的要重得多，之后将研究它们是如何形成的；（3）重量超过太阳8倍的星体末期发生的“超新星爆炸”的机制目前尚未阐明。希望通过引力波观测调查物质的移动和通过中微子观测调查温度来了解中心部发生的现象，并结合起来进行理解。
“并不是简单的替代物”
KAGRA完成后，为了与LIGO和Virgo联合观测而进行了调整，并于2020年3月达到了参与条件的灵敏度。但由于新冠疫情，LIGO和Virgo等不到KAGRA的参加便中断了观测。于是，KAGRA于2020年4月与一家德国的设施进行了联合观测，但同样由于疫情，仅持续了两周也被终止了。此时，研究团队发现妨碍KAGRA灵敏度的噪音比预期大。因此调查了原因，通过重新安装及调整支撑反射镜的防震装置、采取散射光对策，及改进光学系统等提高了灵敏度，为恢复联合观测做准备。
联合观测于日本时间5月25日零点重新开启。根据计划，KAGRA将首先进行为期一个月的观测。然而，据称根据目前的灵敏度，还无法实际看到引力波。研究团队根据这一个月的观测结果对设备进行调整后，计划在明年春天重启，再观测三个月。在这个阶段，目标是使灵敏度达到能够捕捉中子星合并引起的引力波的迹象。另外，重启之初将由KAGRA和LIGO进行观测，发现故障的Virgo将继续调整一段时间。
当前，KAGRA与LIGO、Virgo的灵敏度差异还较大，要与积累了实际经验且走在前列的二者并肩观测，KAGRA似乎还有很长的路要走。梶田教授表示：“LIGO和Virgo都花了相当长的时间提高灵敏度。要想达到当初预想的灵敏度并不是那么容易的事，与其他设施相比，KAGRA提高灵敏度的时间并不长。我们虽然会尽力，但只有KAGRA实现快速提升是相当困难的。”
期待“LVK”获得成果
KAGRA的隧道内部。直径80厘米的真空管道持续3公里（供图：东京大学宇宙射线研究所）
据研究团队称，其目标是在2027年左右开始下一次国际观测之前，进一步提高灵敏度，并通过KAGRA捕捉引力波的到来方向，为提高精度做出贡献。
2015年11月，KAGRA的建设迎来了重要节点，包括笔者在内的记者团实地采访了地下设施。与当时听到的“进入正式观测的话，最快1年以内就能捕捉到引力波”的豪言壮语相比，坦率地说，总觉得现在的研究人员的话语里缺乏气势。
不过，LIGO和Virgo的文件中明确写着“LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) Collaboration”，可以说KAGRA肩负着很大的期待。为了实现大科学，对于困难以及与当初预测存在差异的事实不一定都是负面意义的，有时改进的过程本身也会促进项目本身的成长。期待看到爱因斯坦从天上向神冈露出微笑的那一天。
【相关链接】
东京大学宇宙射线研究所 “大型低温引力波望远镜‘KAGRA'”（日文）
加州理工学院 “LIGO Ready to Explore Secrets of the Universe”（英文）
原文：草下健夫/JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
