LIGO引力波測(cè)量原理課件

1、引力波測(cè)量原理以LIGO激光干涉法為例目錄歷史上著名的引力波測(cè)量實(shí)驗(yàn)引力波測(cè)量的難點(diǎn)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)美國(guó)馬里蘭大學(xué)韋伯在實(shí)驗(yàn)室建成了第一個(gè)引力波探測(cè)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(cè)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(lái)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(hào)。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(shí), 天線將在引力波的作用下發(fā)生共振。振動(dòng)通過(guò)固定在天線上的傳感

2、器變成電信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)重1.4噸的鋁棒，在垂直于圓柱軸線的對(duì)稱截面上支承。著名引力波探測(cè)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(gè)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(jiǎng)。Tips：根據(jù)廣義相對(duì)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(cè)量，至少應(yīng)滿足兩個(gè)條件：軌道非常小(兩子星足夠近，以使廣義相對(duì)論效應(yīng)盡量明顯)有一種精

3、度很高的軌道周期測(cè)量方法。該雙星的兩子星的最大距離只有109m的量級(jí)(約一個(gè)太陽(yáng)半徑),其中一個(gè)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(cè)難點(diǎn)引力波與物質(zhì)作用時(shí)引起的尺度變化極小。以LIGO激光干涉法為例，LIGO的光路長(zhǎng)度為1120km，此次探測(cè)到的引力波無(wú)量綱振幅h10-21，依據(jù)公式L=Lh，引力波在經(jīng)過(guò)LIGO探測(cè)器時(shí)引起的尺度變化約為10-18m數(shù)量級(jí)，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(wú)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(gè)宇宙中較為常見(jiàn)，但在人類可探測(cè)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(tái)(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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)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(jí)改造，升級(jí)后的LIGO被稱為Advanced LIGO，簡(jiǎn)稱aLIGO。2015年，最新的激光干涉引力波天文臺(tái)正式上線，其最敏感頻率(100-300Hz)理論上，該天文臺(tái)可以探測(cè)到3億光年遠(yuǎn)的引力波事件。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅考慮引力波一個(gè)偏振方向e+. 當(dāng)不考慮引力波影響時(shí)(h+ = 0)，光在兩測(cè)試質(zhì)量間往返一次所需的時(shí)間為： t2-t0=L/c引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)引起光在兩測(cè)試質(zhì)量間往返時(shí)間發(fā)生變化，這個(gè)變化量t 與引力波振幅成正比: t =Lh+/cLIGO簡(jiǎn)介L(zhǎng)IGO在美國(guó)華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同時(shí)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(cè)量?jī)x器是利用F-P腔改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀。臂長(zhǎng)為4km，經(jīng)過(guò)F-P腔多次反射后，激光在真空管中通過(guò)的實(shí)際長(zhǎng)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(guò)對(duì)不同頻率敏感的傳感器(10Hz以上)主動(dòng)探測(cè)地層的震動(dòng)，同時(shí)綜合這些測(cè)量結(jié)果，后由計(jì)算機(jī)計(jì)算補(bǔ)償量，通過(guò)10向磁場(chǎng)隔震裝置進(jìn)行補(bǔ)償。它的工作原理與主動(dòng)降噪耳機(jī)類似。隔震技術(shù)-主動(dòng)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(huì)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(dòng)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(guò)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(cè)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(jí)裝置最后獲得穩(wěn)定的功率為200W，波長(zhǎng)為1064nm的激光。激光器Step1:由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(jí)，每天收集的數(shù)據(jù)都會(huì)被及時(shí)傳輸?shù)匠?jí)計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。目前LIGO獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò)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(guò)1000年。數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與計(jì)算LIGO尖端技術(shù)LIGO在測(cè)量臂管道中設(shè)置了大量的傳感器陣列，如震動(dòng)傳感器、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、麥克風(fēng)、微