1、引力波測量原理以LIGO激光干涉法為例目錄歷史上著名的引力波測量實(shí)驗(yàn)引力波測量的難點(diǎn)激光干涉引力波天文臺(LIGO)美國馬里蘭大學(xué)韋伯在實(shí)驗(yàn)室建成了第一個引力波探測器。1969年韋伯公布了他們研究小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“ 并宣稱探測到了振幅達(dá)10-15，振幅在kHz頻帶的引力波。但韋伯的研究結(jié)果始終未能被重復(fù)驗(yàn)證“ 后來其他一些精度遠(yuǎn)高于韋伯棒的實(shí)驗(yàn)小組均未發(fā)現(xiàn)韋伯宣稱的引力波信號。Tips:該裝置利用引力波的潮汐效應(yīng)，由于天線內(nèi)晶格間存在強(qiáng)彈性耦合力, 所以天線端面的振幅隨入射引力波的頻率變化而變化。當(dāng)入射引力波的頻率等于天線的本征頻率時, 天線將在引力波的作用下發(fā)生共振。振動通過固定在天線上的傳感

2、器變成電信號。該實(shí)驗(yàn)裝置是一個重1.4噸的鋁棒，在垂直于圓柱軸線的對稱截面上支承。著名引力波探測實(shí)驗(yàn)1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖雙星PSR 1913+16。這個雙星系統(tǒng)軌道周期的變化與引力波輻射損耗的預(yù)言相吻合，從而間接證明了引力波的存在。二人也因此獲得1993年的Nobel物理學(xué)獎。Tips：根據(jù)廣義相對論，雙星系統(tǒng)是一種旋轉(zhuǎn)著的質(zhì)量四極矩。它應(yīng)能以輻射引力波的方式輻射能量。與所有束縛在一起的二體引力系統(tǒng)一樣，其運(yùn)行軌道周期將隨著能量的輻射而減少。要使這些天體產(chǎn)生的物理效應(yīng)能被測量，至少應(yīng)滿足兩個條件：軌道非常小(兩子星足夠近，以使廣義相對論效應(yīng)盡量明顯)有一種精

3、度很高的軌道周期測量方法。該雙星的兩子星的最大距離只有109m的量級(約一個太陽半徑),其中一個子星為脈沖星，這一條件剛好能符合之前的條件。引力波的振幅極小引力波探測難點(diǎn)引力波與物質(zhì)作用時引起的尺度變化極小。以LIGO激光干涉法為例，LIGO的光路長度為1120km，此次探測到的引力波無量綱振幅h10-21，依據(jù)公式L=Lh，引力波在經(jīng)過LIGO探測器時引起的尺度變化約為10-18m數(shù)量級，這一尺寸只有質(zhì)子直徑(10-15m)的千分之一。事件類型到達(dá)地球的引力波無量綱振幅h雙星系統(tǒng)10-34黑洞形成前10-31高速旋轉(zhuǎn)的中子星（脈沖星）、致密天體被黑洞俘獲10-2710-26黑洞合并、大質(zhì)量恒

4、星遺骸合并10-2110-20超新星爆發(fā)(迄今為止人類觀察到的最強(qiáng)引力波爆發(fā))10-1610-17天體爆發(fā)形成的引力波源稀少類似于黑洞合并、超新星爆發(fā)等天文現(xiàn)象雖然在整個宇宙中較為常見，但在人類可探測范圍內(nèi)的爆發(fā)事件即為有限，尤其是超新星爆發(fā)這類較強(qiáng)的引力波波源可能幾十甚至上百年才能遇到一次。激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)LIGO。1999年11月建成，耗資3.65億美元。2005年-2007年，L

5、IGO進(jìn)行升級改造，升級后的LIGO被稱為Advanced LIGO，簡稱aLIGO。2015年，最新的激光干涉引力波天文臺正式上線，其最敏感頻率(100-300Hz)理論上，該天文臺可以探測到3億光年遠(yuǎn)的引力波事件。為簡單起見，僅考慮引力波一個偏振方向e+. 當(dāng)不考慮引力波影響時(h+ = 0)，光在兩測試質(zhì)量間往返一次所需的時間為： t2-t0=L/c引力波經(jīng)過時，會引起光在兩測試質(zhì)量間往返時間發(fā)生變化，這個變化量t 與引力波振幅成正比: t =Lh+/cLIGO簡介LIGO在美國華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同時分別安置了兩部完全相同的儀器，彼此相距3000千米。這樣可以有效剔除噪聲的

6、干擾。LIGO的主要測量儀器是利用F-P腔改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀。臂長為4km，經(jīng)過F-P腔多次反射后，激光在真空管中通過的實(shí)際長度為1120km。利用能量循環(huán)裝置提高激光功率達(dá)到750kW。LIGO尖端技術(shù)通過對不同頻率敏感的傳感器(10Hz以上)主動探測地層的震動，同時綜合這些測量結(jié)果，后由計(jì)算機(jī)計(jì)算補(bǔ)償量，通過10向磁場隔震裝置進(jìn)行補(bǔ)償。它的工作原理與主動降噪耳機(jī)類似。隔震技術(shù)-主動隔震LIGO尖端技術(shù)LIGO干涉臂光路所在管道內(nèi)的大氣壓只有海平面大氣壓的約十億分之一(1uPa)。真空技術(shù)Tips：在非真空環(huán)境下，分子、空氣流和灰塵將會以如下方式影響系統(tǒng)的精度：1、降低反射鏡鏡面的質(zhì)量，使

7、反射光斑質(zhì)量變差。2、使激光在傳輸中發(fā)生折射，使光束偏離預(yù)定光路。3、產(chǎn)生嚴(yán)重的相干噪聲。管道被加熱到150-170并保持30天，以排除剩余的空氣。用類似于小型噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪泵產(chǎn)生吸力，將大部分空氣吸出管道。電磁泵通過電磁吸引的方式，將少數(shù)孤立的氣體分子吸出管道。LIGO尖端技術(shù)LIGO用于測量的激光器是史上在該波段最穩(wěn)定的激光器(P/P10-7) 。共采用4級裝置最后獲得穩(wěn)定的功率為200W，波長為1064nm的激光。激光器Step1:由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生波長為808nm，功率約為4W的近紅外激光。Step2:將激光導(dǎo)入非線性環(huán)形振蕩器(NPRO)，經(jīng)晶體降頻為1064nm的功率為2W的激光Step3:通過光放大設(shè)備使激光功率提升到35W。Step4:激光經(jīng)高能振蕩器放大并整形，最后輸出波長為1064nm，功率為200W的激光。?LIGO尖端技術(shù)LIGO每天運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都在TB量級，每天收集的數(shù)據(jù)都會被及時傳輸?shù)匠売?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲和處理。目前LIGO獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過4.5PB(1PB=1024TB)。且以每年0.8PB的速度遞增。LIGO2015年全年的數(shù)據(jù)如果使用普通的四核計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算需要超過1000年。數(shù)據(jù)傳輸、存儲與計(jì)算LIGO尖端技術(shù)LIGO在測量臂管道中設(shè)置了大量的傳感器陣列，如震動傳感器、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、麥克風(fēng)、微