LIGO引力波測量原理課件

引力波測量原理——以LIGO激光干涉法為例引力波測量原理1目錄歷史上著名的引力波測量實驗引力波測量的難點激光干涉引力波天文臺(LIGO)目錄歷史上著名的引力波測量實驗2美國馬里蘭大學韋伯在實驗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驗數(shù)據(jù)“并宣稱探測到了振幅達10^-15，振幅在kHz頻帶的引力波。但韋伯的研究結(jié)果始終未能被重復驗證“后來其他一些精度遠高于韋伯棒的實驗小組均未發(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，由于天線內(nèi)晶格間存在強彈性耦合力,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器變成電信號。該實驗裝置是一個重1.4噸的鋁棒，在垂直于圓柱軸線的對稱截面上支承。著名引力波探測實驗美國馬里蘭大學韋伯在實驗室建成了第一個引力波探測器。Tips31974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖雙星PSR1913+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)生的物理效應能被測量，至少應滿足兩個條件：軌道非常小(兩子星足夠近，以使廣義相對論效應盡量明顯)有一種精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10^9m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。1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖雙星4引力波的振幅極小引力波探測難點引力波與物質(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h≈10^-21，依據(jù)公式ΔL=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^-27~10^-26黑洞合并、大質(zhì)量恒星遺骸合并10^-21~10^-20超新星爆發(fā)(迄今為止人類觀察到的最強引力波爆發(fā))10^-16~10^-17引力波的振幅極小引力波探測難點引力波與物質(zhì)作用時引起的尺度變5引力波頻率極低；極低頻率意味著引力波波長極長，故對特定頻率引力波敏感的激光干涉測量設(shè)備，臂長(等效臂長)需要達到引力波波長的1/4才能進行有效的探測，以100Hz的引力波為例，其要求臂長至少達到750km。宇宙中存在的引力波的頻率分布如下圖所示；引力波頻率極低；極低頻率意味著引力波波長極長，故對特定頻率引6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)這類較強的引力波波源可能幾十甚至上百年才能遇到一次。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)7激光干涉引力波天文臺(LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory,LIGO)1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（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，LIGO進行升級改造，升級后的LIGO被稱為AdvancedLIGO，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3億光年遠的引力波事件。激光干涉引力波天文臺1991年，麻省理工學院與加州理工學院在8LIGO測量原理引力波波源距離地球非常遙遠，最近的也在百萬光年以上，當引力波傳播到地球附近時，已變得十分微弱.所以，引力波對時空的影響可以看成是平直時空背景下的微擾。引力波天線附近的度規(guī)張量引力波引起的度規(guī)張量的擾動近似平直的空間的度軌張量LIGO測量原理引力波波源距離地球非常遙遠，最近的也在百萬光9為簡單起見，僅考慮引力波一個偏振方向e+.當不考慮引力波影響時(1h+=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Δt與引力波振幅成正比:Δt=L’h+/c為簡單起見，僅考慮引力波一個偏振方向e+.當不考慮引力波影10LIGO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干擾。LIGO的主要測量儀器是利用F-P腔改進的邁克爾遜干涉儀。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際長度為1120km。利用能量循環(huán)裝置提高激光功率達到750kW。LIGO簡介LIGO在美國華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同11LIGO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，后由計算機計算補償量，通過10向磁場隔震裝置進行補償。它的工作原理與主動降噪耳機類似。隔震技術(shù)-主動隔震LIGO尖端技術(shù)通過對不同頻率敏感的傳感器(10Hz以上)主12LIGO尖端技術(shù)LIGO系統(tǒng)將所有重要的測試質(zhì)量（反射鏡）用0.4mm粗的石英纖維懸掛在一個稱為‘quad’的四階擺下。隔震技術(shù)-被動隔震“主鏈”（Mainchain）一側(cè)面對激光光斑，“反應質(zhì)量”則幫助“測試質(zhì)量”保持穩(wěn)定。測試質(zhì)量重達40kg，可以利用慣性定理保持穩(wěn)定。LIGO尖端技術(shù)LIGO系統(tǒng)將所有重要的測試質(zhì)量（反射鏡）用13LIGO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，使光束偏離預定光路。3、產(chǎn)生嚴重的相干噪聲。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干涉臂光路所在管道內(nèi)的大氣壓只有海平14LIGO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(δP/P<10^-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用于測量的激光器是史上在該波段最穩(wěn)定15LIGO尖端技術(shù)LIGO所使用的反射鏡在材料和面型技術(shù)上都達到了最頂尖的水平(PV值小于λ／100，RMS值小于λ／1000,曲率半徑約為6km)。通過使用純度極高的硅作為反射鏡的材料，使得每300萬個光子在其表面發(fā)生反射時，只有一個被吸收。反射鏡面面型的加工誤差達到了原子量級。反射鏡該數(shù)據(jù)為InitialLIGO光學元件的加工精度，aLIGO再次進行了升級。LIGO尖端技術(shù)LIGO所使用的反射鏡在材料和面型技術(shù)上都達16LIGO尖端技術(shù)LIGO每天運行產(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売嬎銠C中進行存儲和處理。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算機進行運算需要超過1000年。數(shù)據(jù)傳輸、存儲與計算LIGO尖端技術(shù)LIGO每天運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都在TB量級，每天17LIGO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、磁強計、麥克風、微波探測