引力波天文台，例如激光干涉引力波天文台（LIGO），是极度灵敏的装置。LIGO 的两个实验性“耳朵”——一个在路易斯安那州，另一个在华盛顿州——倾听由黑洞和中子星等天体留下的时空涟漪。为此，LIGO 精心监测长达数英里的激光束的微小波动。挑战在于，从隆隆作响的拖拉机、天气到量子噪声，一切都可能引起自身的干扰。引力波观测的很大一部分工作就是剔除不需要的噪声。
现在，经过一系列升级后，LIGO 的两个“耳朵”能够探测到的事件比以往增加了 60%。这在很大程度上归功于一个通过名副其实地“压缩”光线来校正几乎无法察觉的量子噪声的系统。
几十年来，物理学家和工程师一直在实验室中研究光线压缩技术，他们的工作已显示出实际成果。“这不再是演示了，”加州理工学院物理学家 Lee McCuller 说。“我们实际上正在使用它。”McCuller 和他的同事将于 10 月 30 日在《物理评论 X》期刊上发表他们的研究成果。
引力波是广义相对论所预言的引力运作方式的一种奇特现象。就像落下的石头会在水面产生涟漪一样，足够壮观的事件——例如两个黑洞或两个中子星合并——会在时空结构中产生波。倾听这些引力波，使天文学家能够窥视黑洞和中子星等难以清晰观测到的巨大天体。科学家们正是通过 LIGO 这样的设备才得以实现这一切。
LIGO 的“耳朵”呈巨大的 L 形，其手臂精确长度为 4 公里（2.49 英里）。激光束被分成两束，分别沿着两条手臂传播。这两束光会在远端的光学反射镜上反射回来，然后回到顶点，在那里重新组合成一束光。时空的微小位移——引力波——可以微妙地拉伸或压缩任何一条手臂，在重新组合的光束中留下印记。
长度的微小变化极其细微，肉眼根本无法察觉。当 LIGO 探测器受到地震、天气和人类活动的影响时，这些都会产生干扰，震动光学反射镜或扰乱激光束，使得探测如此微小的变化的任务变得更加困难。
物理学家们已经开发出各种方法来消除这些噪声。他们可以将手臂置于真空中，排除所有其他物质，以阻止声波的干扰。他们可以悬挂光学反射镜，将它们与振动隔离。他们还可以测量外界噪声并相应地调整仪器，就像一个非常大的降噪耳机。
但这些方法无法过滤掉量子物理的影响。即使在完美的真空中，宇宙在最小尺度上的固有随机性——粒子不断地出现和消失——也会留下痕迹。“你的测量水平存在天然的波动，这可能会掩盖微弱的引力波信号，”加的夫大学天体物理学家 Patrick Sutton 说。他是 LIGO-Virgo 合作项目的成员，但不是新研究的作者。他在 Cardiff University 有个人资料。
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LIGO 于 2016 年探测到了有史以来首次证实的引力波。大约在同一时间，其操作人员开始考虑如何消除量子干扰。物理学家可以通过将光困在晶体中并对其进行“压缩”来操纵光。他们在 LIGO 的第三次探测运行（始于 2019 年）开始前，在两个 LIGO 探测器上都安装了这样的晶体。
这次升级使 LIGO 能够处理更高频率的激光。但是，像这样的光压缩是有代价的：它使得读取低频光更加困难。这很成问题，因为我们可以探测到的事件——例如黑洞合并——产生的引力波往往会产生大量的低频光。
因此，在 2020 年中期 COVID-19 迫使 LIGO 停运后，其操作人员在其压缩设备中增加了一个新腔室。这个腔室允许采用更具适应性的方法，在不同频率下操纵光的不同特性。为此，腔室必须将光困住 3 毫秒——足够光传播数百英里。当 LIGO 的第四次、也是目前的运行于今年早些时候启动时，这个腔室就开始运行了。
“这需要大量的工程设计和细致的思考，才能使其成为一个能够完成其工作并改进压缩效果，同时又不引入新噪声的升级，”McCuller 说。
LIGO 的两个探测器现在可以探测到来自更遥远宇宙和更广阔空间区域的引力波。据 Sutton 称，LIGO 现在能探测到的事件增加了约 60% 到 70%。更高的灵敏度还使天文学家能够以更高的精度测量引力波，从而能够检验广义相对论。Sutton 说：“这是一个显著的飞跃。”
LIGO 在欧洲的同伴探测器 Virgo，正基于其科学家自己的研究，采用相同的频率相关压缩技术。“目前我们不知道还有其他哪种技术可以改进这一点，”McCuller 说。“就新技术而言，这是我们目前确实知道如何使用最好的一种。”
到目前为止，我们看到的所有引力波事件都来自两个黑洞或两个中子星的合并：响亮、剧烈的事件，留下同样剧烈的“飞溅”。但引力波监听者希望利用引力波来监听其他事件，例如超新星、伽马射线暴和脉冲星。我们还没有完全实现这一目标，但压缩技术可能通过让我们充分利用现有硬件而让我们更接近这一点。
Sutton 说：“关键在于不断提高探测器的灵敏度——将噪声降低到最低——直到最终我们开始看到一些（信号）。”“我认为那些日子将非常激动人心。”
