在爱因斯坦预言引力波存在的近一个世纪后|看不见摸不着的引力波，LIGO如何捕捉？答案无法想象( 二 ) 在爱因斯坦预言引力波存在的

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LIGO利文斯顿天文台（图片来源：LIGOCaltech）
只有1阿米
完成的aLIGO升级都有一个共同的目标：降低噪声。当然，噪声给许多物理实验带来了挑战，但对于LIGO的双天文台和它们的干涉仪家族来说，这个问题格外棘手。虽然引力波来自宇宙中一些质量和能量最大的系统（如一对黑洞或相互环绕的中子星），但当到达地球时，它们的振幅非常小。事实上，经过的引力波预计只会使LIGO长达4km的臂长变化几阿米（attometer或am ， 1am=10^-18m）——大约是质子直径的千分之一（见下文“LOGO是如何工作的”）。
为了确保天文台能够探测到如此微小的变化， LIGO几乎所有方面都进行了升级。首先，他们安装了一个新的隔震系统，使地震噪声（例如，由过往的卡车或微弱的地震引起）在未来的引力波观测器所关注的频率范围内可以忽略不计。美国的双天文台在这里至关重要，因为，在一个探测器中观测到而在另一个探测器中未观测到的噪声，可以被判定为局部的小问题，而不是经过的引力波。

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LIGO中的静室
然而，在更高的频段下， LIGO的性能受到了散粒噪声的限制，散粒噪声则来自于光的量子特性。激光产生的光子数量大体上是随着时间波动的，这在激光束的振幅和相位上产生了一定程度的不确定性。增加激光功率在某种程度上缓解了这个问题，因为经过的引力波产生的信号与功率成正比，而散粒噪声与功率的平方根成正比。因此， aLIGO将设备的激光功率提高了一个数量级不止，从最初的10W增加到约200W 。

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进行中的aLIGO的升级工程（图片来源：LIGOCaltech）
然而，这又产生了一个新问题。每一个激光光子都带来了一个微小的动量冲击，在共同作用下，光子产生了足够的辐射压，使每只长臂末端的测试块产生了轻微颤动。为了抵消这一点，测试块被加强了：aLIGO中测试块的直径（25cm换成了34cm）和重量（11kg换成了40kg）都比以前要大。这抑制了它们因辐射压引起的位移，并使其降低到与悬挂它们的金属丝中的热噪声相当的水平，这种热噪声本身就已经通过用熔融石英纤维代替旧钢丝的方式降低了。

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上图展示了一个安装在四元悬置系统中的测试块， 40kg的测试块通过4根硅玻璃纤维悬挂在金属体下方。（图片来源：LIGOCaltech）
给光施加一点“压力”
不过，要真正处理好散粒噪声，除了更强的激光束和更大的测试块以外，还需要别出心裁。这就是希拉·德怀尔（SheilaDwyer）这样的物理学家的专长发挥作用的地方。德怀尔是LIGO汉福德天文台的博士后研究员，于2010年开始在实验室工作，当时她还是麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology）的博士研究生。她的毕业课题（由天体物理学家及引力波探测专家纳吉斯·马瓦瓦拉（NergisMavalvala）指导）涉及了量子光学、量子测量理论和引力波探测，这为她在aLIGO最重要的一项升级中发挥核心作用做好了准备：将激光转换成一种特殊状态，称为“压缩态” 。

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在澳大利亚国立大学引力物理学研究中心进行的压缩光实验（图片来源：ANU）
和所有的粒子一样，压缩光中的光子也遵循不确定性原理：任何两个互补属性（比如振幅和相位）的不确定度之积总是等于或超过?/2（?为约化普朗克常数）。压缩光的特别之处在于，其中一个变量的不确定性被“压缩”了下来，而另一个变量的不确定性则相应地“膨胀”了起来。在LIGO中，相位的波动被压缩，这样可以更精确地测量复合光束的相移。当然，这意味着光束振幅的波动变得相对较大，因此， aLIGO中所使用的镜面物体在合理范围内尽可能加重这件事就变得更加重要了。