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[图说天下]激光干涉引力波天文台 LIGO

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更多 发布于:2017-10-16 09:19

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令科学家们第一次得以窥见引力波“真容”的机器,是有史以来最先进的、用于探测宇宙中最轻微振动的探测仪。置于美国地下的这两台探测仪,名为激光干涉仪引力波观测台(LIGO)。其中一台位于华盛顿的汉福德,另一台位于约3000公里外的路易斯安那州的利文斯顿。

观测台的建设工作始于1999年,并在2001年到2007年间开展了观测工作。之后,这两个观测台经历了一次重大升级,令其功能增强了10倍。

2015年9月,升级后的高级LIGO探测仪首次开始全面运转。当月14日,路易斯安那州的探测仪首先捕捉到了一个来自13亿年前南部天空的引力波信号。7.1毫秒后,华盛顿的探测仪也捕捉到了相同的信号,这使得科学家们能够证实这一发现真实不虚。

上述两部完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。引力波探测仪“就是一台将太空中的波动转变为电子信号的大型仪器”。

这些超精密测量仪器通过利用单个长约4千米的大型激光干涉仪工作。这些干涉仪都被埋在地下,令其能够得出最精确的测量结果。这种L型仪器根据激光物理学和空间物理学原理追踪引力波。它们不像望远镜那样依赖天空中的光线。它们感知太空中的振动,这种优势令它们可以揭示黑洞的特性。

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分别位于列文斯顿和汉福德的LIGO探测器以及它们分别探测到的引力波信号

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高新LIGO探测器简化示意图(未按比例显示),对基本设计的主要改进包括:一个光学谐振腔,使激光在单臂中来回反射多次,以加强引力波在激光相位上产生的影响;一个功率循环镜,将干涉仪中的激光功率大幅提高;一个信号循环镜,进一步优化从光电探测器中提取的信号。这些改进使得激光功率在光学谐振腔中增强了5000倍,并且延长了信号在干涉仪中循环的时间。图(a) 显示了两个LIGO探测器的地理位置和方位,以及光在它们之间传播所需的时间。图(b) 展示了在GW150914 事件前后两个探测器中仪器噪声与频率的关系。仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。图中的尖峰表示该窄带频率处有很强的仪器噪声。


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测量原理
用干涉仪进行科学探测的基本原理是比较光在其相互垂直的两臂中度越时所用的时间。当引力波在垂直于干涉仪所在的平面入射时,由于特殊的偏振特性,它会以四极矩的形式使空间畸变,也就是说,会以引力波的频率,在一个方向上把空间拉伸,同时在与之垂直的方向上把空间压缩,反之亦然。对于激光干涉仪来说,当引力波通过时,干涉仪相互垂直的两臂所在的那部分空间自然也产生拉伸或压缩效应。也就是说,引力波会使干涉仪的一臂伸长而同时又使另一臂缩短。比较光在相互垂直的两臂中度越时所用的时间的变化,就能探测引力波产生的效应,从而知道引力波是否存在。

原则上讲,激光干涉仪引力波探测器是一台“变异”的迈克尔逊干涉仪(迈克尔孙干涉仪是用来测量长度和长度变化的设备),其相互垂直的两臂各有一个法布里—珀罗腔,并带有光循环镜和其他功能部件。如果不考虑法布里
珀罗腔光循环镜及其他部件的作用,激光干涉仪引力波探测器就可以简化成一台单次往返的迈克尔逊干涉仪。

激光干涉仪引力波探测器是一种大型综合性实验装置,由光学部分、机械部分、信号转换部分和控制部分等组成。本质上讲,它应该是一台超大型高精度的光学仪器,其光学部分包括迈克尔逊干涉仪、法布里—珀罗腔、光循环镜、频率调制器、光隔离器、波片、信号引出系统。

作为一种大型的精密光学仪器并作为引力波天文学研究的关键设备,激光干涉仪引力波探测器已在世界各地蓬勃发展起来,开辟了引力波探测的新时代。20世纪80年代,数十台小型干涉仪陆续兴建,到21世纪初,几台大型激光干涉仪相继建成并投入运转,。这些大型干涉仪被称为第一代激光干涉仪引力波探测器,当前,采用新材料、新技术、新工艺的第二代激光干涉仪正在紧张地建造之中,同时,以爱因斯坦引力波望远镜为代表的第三代激光干涉仪引力波探测器也开始筹划,随着第三代激光干涉仪引力波探测器的建立,人类必将进入引力波天文学蓬勃发展的新时代。
[invensys于2017-10-16 09:57编辑了帖子]
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发布于:2017-10-16 09:34

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[invensys于2017-10-16 09:38编辑了帖子]
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发布于:2017-10-16 09:44
Einstein@Home
引力波的种类有很多,LIGO的科学目的除了探测来自致密双星并合的信号外,也会搜索来自银河系内的中子星的连续信号。这个搜索由于需要大量计算资源,哪怕用上LIGO自己的超级计算机也不够,所以常年征求志愿者贡献CPU时间,只需要登录http://www.einsteinathome.org/,你就可以下载Einstein@Home的程序,用你电脑的闲暇时间的空余CPU,处理来自LIGO的数据,搜索时空的涟漪。

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