爱因斯坦望远镜：引力科学的下一波浪潮

如何探测引力波（干涉仪101）

天文学的历史与望远镜的进步息息相关，望远镜逐渐向我们揭示了更多宇宙奥秘。天文学始于伽利略和其他先驱者发明的原始望远镜，并延续至今。

随着时间的推移，在可见光谱之外探测恒星活动的方法越来越多。

我们已经报道过几个这样的新型望远镜巨型项目，例如：

• 丹麦科学院，世界上最强大的太阳望远镜。
• 詹姆斯韦伯太空望远镜，距离地球数百万英里。
• 维拉·C·鲁宾天文台，一架可以同时观测整个天空的巡天望远镜。
• SKAO（平方公里阵列天文台），研究天空中的无线电波频谱。
• DUNE（深层地下中微子实验），探测难以捉摸的中微子。
• ELT（极大望远镜） 实现超强放大

另一种新型天文学正在兴起，它以一种全新的方式研究天空：它不是测量光和各种波长的电磁波，而是测量引力波。

直到最近，引力波才只是理论上的现象，现在它已被证实。

我们之前曾报道过这种“引力望远镜”， 激光干涉仪重力波天文台 （LIGO）和 神冈引力波探测器 （卡格拉）。

这些早期的 2^nd 新一代引力望远镜不仅证明了引力波的存在，还有助于 已经探测到超过200个引力波。 他们还表明，这种全新的天文学形式可以通过多种方式实现，可以通过大型项目（LIGO）或不受干扰的超精确测量（KAGRA）。

下一代最有可能将大规模和低干扰结合起来，更进一步。

这是背后的想法 爱因斯坦望远镜这是欧洲提出的第三代地面引力波（GW）探测器项目。

从爱因斯坦理论到引力波

长期以来，人们一直认为引力“只是”宇宙的基本力之一，就像电磁力或在原子层面上驱动核力的力一样。

但在 20 世纪初^th 世纪，爱因斯坦的相对论将引力描述为时空的曲率。

他的理论不仅正确地描述了引力如何作用于恒星等巨大物体，而且还预测了许多当时尚未发现的太空现象，比如中子星和黑洞。

另一个预测是引力波的存在，它会导致空间拉伸和挤压，就像湖面上传播的涟漪一样。

与常规光波甚至海浪不同，引力波不由任何粒子携带。

相反，当时空结构本身波动或振动时，就会产生引力波。

因此，引力波本质上会导致宇宙的特定部分伸展或收缩，从而使其经过时的特定距离变长或变短。

一些天文事件可能足够大，从而产生足够强的引力波以供测量，例如两个黑洞的碰撞。

然而，无论这种现象的绝对威力有多大，地球与其源头之间的巨大距离，以及试图测量时空本身的困难，意味着需要设计一种超灵敏的仪器来探测这些事件。

当引力波到达距离地球数百万或数十亿光年时，它们 数千亿 倍小。

因此，您需要高度精确的测量，因为引力波产生的时空摆动量将比原子核小 10,000 倍！

干涉仪如何探测引力波

引力波的第一个间接证据是通过研究双脉冲星的轨道获得的。轨道衰减的能量损失与预测的引力波产生所需的能量损失相符。 这项发现的科学家因此获得了 1993 年诺贝尔物理学奖.

来源: 诺贝尔经济学奖

直接测量需要使用干涉仪进行不同类型的验证。干涉仪的基本原理是利用光束之间的相互作用。如果两束光波的波长相同，它们就会重叠，形成由暗点和亮点组成的图案。

但是，如果有某种东西改变了这些波长传播的距离，比如引力波，那么这种扰动就可以被测量。

由于引力波引起的时空扩张和收缩也使干涉仪的一个臂比另一个臂扩张和收缩得更多，从而产生了可检测和可测量的引力波效应。

爱因斯坦望远镜：设计、时间表和位置

第三代设计：臂长、噪音低、功率高

KAGRA、LIGO 和其他第二代引力波探测器预计将在本世纪末达到其技术极限。

对于低频尤其如此，目前的探测器在低频探测方面受到地震噪声的根本限制。即使是KAGRA，由于其超低温和地下位置，也同样如此，而KAGRA正在寻求解决这个问题的方案。

降低地震噪声干扰测量风险的一种方法就是增强适当的信号。

主要可以通过两种方法实现：

• 使用更长的望远镜臂。
• 使用更强大的激光。

爱因斯坦希望同时做到这两点，同时也采用与 KAGRA 相同的方法，即地下定位和超低温，以减少所有干扰，例如热噪声。

从 ESFRI 到 ET 合作：2021–2035 年路线图

爱因斯坦望远镜于2021年正式被列入欧洲研究基础设施战略论坛项目清单， 爱因斯坦望远镜合作组织 成立于2023。

到 2025 年，爱因斯坦望远镜将在欧洲各个国家层面实现整合，特别是荷兰、比利时、德国、法国和意大利。

预计望远镜的选址将于 2026 年至 2027 年之间确定，并于 2028 年开始建设。预计首次观测将于 2035 年进行。

来源: 爱因斯坦望远镜

三角形10公里臂，地下250-300米

爱因斯坦望远镜将由三条 10 公里长的隧道组成，每条隧道宽 6.5 米（21 英尺）。

来源: 爱因斯坦望远镜

这 3 条隧道将形成一个等边三角形，其中的激光发射器、镜子和光探测器相互连接。

来源: 爱因斯坦望远镜

该望远镜将建在地下深处，深度达 250-300 米（820-985 英尺），使其不受地表活动的干扰，并抑制任何地表地震运动。

将通过垂直通道进行管理，并建造一个更大的房间来容纳该项目科学家的仪器、电源和本地控制办公室。

来源: 爱因斯坦望远镜

考虑到项目的规模，地下位置有助于减少望远镜对周围环境的影响。

在地面上，几乎看不到天文台的任何物体。

爱因斯坦望远镜将比其前辈探测到多一千倍的引力波，测量比最小原子核小 10,000 倍的距离变化。

候选地点：EMR、撒丁岛和卢萨蒂亚（德国）

该望远镜的安装地点仍未确定，最终将取决于参与国之间通过谈判来决定谁将最终主办该项目。

到目前为止，最有可能的选择似乎是与荷兰、比利时和德国接壤的默兹-莱茵地区。由于该地点位于该项目三个主要贡献国的交界处，即使意大利被排除在外，这似乎也是一个很好的政治妥协方案。

此外，该地区具有有趣的地质特征，有助于其成为潜在的遗址：

• 深层地下岩层足够坚硬，不会发生太大移动，该地区的地震活动相对有限。
• 土壤表层非常柔软，吸收了工业和运输带来的大部分人为振动。
  • 此外，该地区不会受到一些对引力波望远镜最不利的活动（如冶金、重工业、铁路或风力涡轮机）的严重影响。

坚硬的表面与柔软的缓冲顶层相结合，似乎非常适合爱因斯坦望远镜。

最后，该地区拥有良好的基础设施（包括附近的国际机场），并且靠近许多高科技产业和大学，这使得科学家可以轻松迁入，建筑业也可以轻松找到合格的工业供应商。

可以从周围现有的科学研究所和校园远程读取和操作地下设备。

讨论的备选地点包括意大利撒丁岛和德国萨克森州的卢萨蒂亚。

无论望远镜建在哪里，准备工作和后期建设都将为工业带来订单，并创造 1,500 多个直接和间接就业机会。
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爱因斯坦望远镜的目标

爱因斯坦的广义相对论

正如其名称所示，该望远镜的主要目标之一是测试和研究爱因斯坦的广义相对论，该理论将时空描述为一种灵活、可拉伸的结构，而不是宇宙的固定特征。

在该理论中，引力是时空本身的弯曲，因此它也预测了引力波。

然而，引力或许是宇宙中物理力中最不为人所知的，而且存在许多引力理论。因此，爱因斯坦望远镜或许至少能帮助我们指出哪些理论更有可能成立。

宇宙学

通过分析强度非常小的超大规模引力波，该望远镜将能够分析宇宙的大结构。

它还能够探测到宇宙早期（即宇宙快速膨胀时期）的引力波。

来源: 爱因斯坦望远镜

可观察事件的警告

引力波以尽可能快的速度穿越宇宙，绝对不受物质的阻碍。

因此，它可以对天文事件发出早期预警，当这些信号到达地球时，就可以转向电磁、光或中微子望远镜进行观测。

超大质量恒星的分类

该望远镜可以探测到几乎不发射其他信号的物体，只要它们的质量足够大，能够产生引力波。

因此它很可能会发现许多新的黑洞、中子星和其他以前未知的超高密度恒星。

中子星物理学

中子星的密度极高，完全由中子构成，而非普通的原子。这实际上是恒星密度达到黑洞之前的最后阶段。

人们对这种极端密度和引力的物质仍然了解甚少，对中子星引力波的分析或许可以阐明亚原子层面上发生的事情。

关键工程：激光、低温技术和130公里特高压

新型激光器和镜子

由于功率需求的增加，该望远镜将无法使用波长为 1064 nm 的传统激光源。因此，必须开发工作波长为 1550 nm 或 2090 nm 的新型激光器。

新型量子技术的实施，例如 压缩光源，可能是该项目所需的众多创新之一。

跨越的距离越长，所需的精度就越高，这就需要完美的反射镜。最重要的是，它们必须保持热效应引起的波前畸变最小、振幅低、相位噪声低，并保持稳定的指向精度。

提高镜面基板、抛光和涂层的质量以减少光学损失是先进材料和精密制造领域的学术和工业专业知识至关重要的领域。

130公里超高真空网络

与其他引力波探测器一样，需要强大的真空来防止空气或任何粒子干扰激光并发出错误信号。

然而，该装置的规模将这个问题提升到了一个新的高度。它需要130公里长的超高真空管（1米，工作压力<0.0000000001毫巴）。

镜子本身悬挂在 10 至 20 米高的真空塔中，直径为 3 至 5 米。

10–20 K低温与隔震

低温装置的作用是将镜子的温度保持在低至10°K（-263°C/-441°F）的水平。但同样的冷却系统本身也会产生振动，必须防止振动传递到重达200公斤的镜子上。

因此，散热器需要完全由低刚度链接制成，通过传导和辐射带走激光束撞击产生的热量。

同样，只有阻挡任何非重力引起的外部振动，才能实现仪器的高灵敏度。

因此，减震器必须将装置与所有干扰源隔离，尤其是地震运动。必须通过主动和被动控制来减少水平、垂直和旋转振动。

大数据与人工智能用于重叠信号

地球上随时都有数量不明的引力波纵横交错。我们探测到的引力波越小，我们一次能探测到的引力波就越多，而且每个信号都与其他信号纠缠在一起。

这意味着爱因斯坦望远镜不仅将产生大量的科学数据，而且需要数据分析技术的创新来分析单独重叠的引力波。

与大数据、云计算和人工智能领域的专家合作可以带来更高效的数据管理和分析工具。

结语

虽然第一代引力波望远镜证明了它们的存在，而第二代引力波望远镜，如先进的 LIGO 和 KAGRA，为我们提供了有关宇宙的新数据，但它们仍然是测试该技术概念的相对早期的原型。

现在，所有经验教训都可以整合到一架望远镜中，这正是爱因斯坦望远镜的目标。它将利用 LIGO 的超长臂和真空管，以及 KAGRA 的冷却和地下设施。

激光、镜子生产、工程和人工智能驱动的数据处理方面的进步现在也可以从一开始就融入到概念中，而不是作为最初没有为它们制作的设计的升级来添加。

这将从根本上改变对引力和整个宇宙的研究方式。

这样的项目乍一看可能纯粹是学术性的。但事实并非如此，即使一开始很难想象其直接的应用。

例如，爱因斯坦的相对论如今被广泛用于校准 GPS 卫星，而这一日常应用在 1919 年首次发表时是难以预见的。

同样，像这样的项目正在推动科学家发明更精确的镜子、稳定和冷却系统以及激光器，要求达到世界一流的工程水平。

这些创新很可能在天文学以外的技术领域产生成果，包括先进的计算和空间系统。

投资先进光学

康宁公司

随着望远镜推动先进玻璃精密制造的可能性，这也为汽车、半导体、人工智能、国防、生物技术、医疗保健等不同领域开辟了许多工业可能性。 先进光学市场规模达 310 亿美元，预计到 9.2 年复合年增长率将达到 2032%.

康宁是一家拥有170年历史的玻璃和光学公司。在其发展历程中，康宁生产了托马斯·爱迪生电灯的首批玻璃灯泡、第一根低损耗光纤、用于催化转化器的蜂窝状载体，以及用于移动设备的首款抗损盖板玻璃。

来源: 康宁

如今，该公司专注于与制造玻璃和陶瓷相关的核心技术以及光学物理技术，这些技术拥有共同的制造工艺和终端市场。

来源: 康宁

这种技术互联互通使公司能够在不同产品线之间共享制造、研发和工程能力。公司拥有52,000多名员工、全球77个以上制造基地和10多个研发中心，是其细分市场中的领军企业。

来源: 康宁

该公司受益于人工智能和数据中心建设（光纤）的蓬勃发展，以及屏幕和生物技术领域特种玻璃的整体消费。

康宁应该不会受到关税的太大影响，因为其90%的美国收入来自美国原产的产品。在中国生产的康宁产品中，只有极少部分来自美国工厂，80%的中国产品销售都在中国生产。

关税甚至可能有所帮助，因为康宁正在进入太阳能电池板市场，并拥有 铁杉太阳能，生产美国制造的太阳能电池板，因为亚洲太阳能电池板（不仅仅是中国的）​​正在缴纳四位数的关税。80% 的产能已经由客户的承诺所保证。

太阳能对于该公司来说意义重大，硅处理是该公司的核心制造专业技术，该公司已生产多晶硅 60 年，包括超纯硅（纯度为 99.9999999999% ），现在开始生产硅晶片，该产品 100% 从美国进口。

来源: 康宁

该公司还在研究其他先进技术，其在玻璃和陶瓷方面的专业知识可以提供坚实的优势，包括可弯曲玻璃、AR、碳捕获等。

来源: 康宁

总体而言，康宁是一家技术含量高、拥有本地化制造能力的公司，应该不会受到去全球化的影响。该公司还积极开拓与其核心竞争力相匹配的新市场，尤其是太阳能和光通信/人工智能基础设施。这使得它既是一家相对保守的公司，只专注于深耕其细分市场，同时也是高科技市场中一只潜在的增长股。

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