精编制作LIGO引力波测量原理PPT课件

1、引力波测量原理 以LIGO激光干涉法为例 目录 历史上著名的引力 波测量实验 引力波测量的难点 激光干涉引力波天 文台 LIGO 美国马里兰大学韦伯在实验 室建成了第一个引力波探测 器 1969年韦伯公布了他们研究小 组的实验数据 并宣称探测到 了振幅达10 15 振幅在kHz 频带的引力波 但韦伯的研究结果始终未能被 重复验证 后来其他一些精度 远高于韦伯棒的实验小组均未 发现韦伯宣称的引力波信号 Tips 该装置利用引力波的潮汐效应 由于天线内晶格间存在强弹性耦 合力 所以天线端面的振幅随入射 引力波的频率变化而变化 当入 射引力波的频率等于天线的本征 频率时 天线将在引力波的作用下 发生共振 振动通过固定在天线 上的传感器变成电信号 该实验装置是一个重1 4吨的铝棒 在垂直于圆柱轴线的对称截面 上支承 著名引力波探测实验 1974年 Hulse和Taylor发现 了第一颗射电脉冲双星PSR 1913 16 这个双星系统轨 道周期的变化与引力波辐射 损耗的预言相吻合 从而间 接证明了引力波的存在 二 人也因此获得1993年的 Nobel物理学奖 Tips 根据广义相对论 双星系统是

2、一 种旋转着的质量四极矩 它应能 以辐射引力波的方式辐射能量 与所有束缚在一起的二体引力系 统一样 其运行轨道周期将随着 能量的辐射而减少 要使这些天体产生的物理效应能 被测量 至少应满足两个条件 轨道非常小 两子星足够近 以使 广义相对论效应尽量明显 有一种 精度很高的轨道周期测量方法 该双星的两子星的最大距离只有 10 9m的量级 约一个太阳半径 其 中一个子星为脉冲星 这一条件 刚好能符合之前的条件 引力波的振幅极小 引力波探测难点 引力波与物质作用时引起的尺度变化极小 以LIGO激光 干涉法为例 LIGO的光路长度为1120km 此次探测到 的引力波无量纲振幅h 10 21 依据公式 L Lh 引力 波在经过LIGO探测器时引起的尺度变化约为10 18m数 量级 这一尺寸只有质子直径 10 15m 的千分之一 事件类型到达地球的引力波无量纲振幅h 双星系统10 34 黑洞形成前10 31 高速旋转的中子星 脉冲星 致密天体被黑洞俘获 10 27 10 26 黑洞合并 大质量恒星遗骸合并10 21 10 20 超新星爆发 迄今为止人类观察到 的最强引力波爆发 10 16 10 1

3、7 引力波频率极低 极低频率意味着引力波波长极长 故对特定频率引力波敏感 的激光干涉测量设备 臂长 等效臂长 需要达到引力波波长 的1 4才能进行有效的探测 以100Hz的引力波为例 其要 求臂长至少达到750km 宇宙中存在的引力波的频率分布如下图所示 天体爆发形成的引力波源稀少 类似于黑洞合并 超新星爆发等天文现象虽然在整个宇宙中 较为常见 但在人类可探测范围内的爆发事件即为有限 尤 其是超新星爆发这类较强的引力波波源可能几十甚至上百年 才能遇到一次 激光干涉引力波天文台 Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory LIGO 1991年 麻省理工学院与加州理工学院 在美国国家科学基金会 NSF 的资助 下 开始联合建设LIGO 1999年11月建成 耗资3 65亿美元 2005年 2007年 LIGO进行升级改造 升级后的LIGO被称为Advanced LIGO 简称aLIGO 2015年 最新的激光干涉引力波天文台 正式上线 其最敏感频率 100 300H上 该天文台可以探测到3亿光年远 的引力波事件 LIGO测量原理

4、p引力波波源距离地球非常遥远 最近的也在百万光年以上 当引 力波传播到地球附近时 已变得 十分微弱 所以 引力波对时空 的影响可以看成是平直时空背景 下的微扰 引力波天 线附近的 度规张量 引力波 引起的 度规张 量的扰 动 近似平直 的空间的 度轨张量 p 为简单 起见 仅 考虑引力波一个偏 振方向e 当不考 虑引力波影响时 h 0 光在两 测试质量间往返 一次所需的时间 为 t2 t0 L c p 引力波经过时 会引起光在两测 试质量间往返时 间发生变化 这 个变化量 t 与引 力波振幅成正比 t L h c LIGO简介 pLIGO在美国华 盛顿州利文斯 顿和新泽西州 汉福德同时分 别安置了两部 完全相同的仪 器 彼此相距 3000千米 这 样可以有效剔 除噪声的干 扰 p LIGO的主要测量仪器是利用F P腔改进的 迈克尔逊干涉仪 p 臂长为4km 经过F P腔多次反射后 激 光在真空管中通过的实际长度为1120km p 利用能量循环装置提高激光功率达到 750kW LIGO尖端技术 通过对不同频率敏 感的传感器 10Hz 以上 主动探测地层 的震动 同时综合 这些测量结果 后

5、 由计算机计算补偿 量 通过10向磁场 隔震装置进行补 偿 它的工作原理 与主动降噪耳机类 似 隔震技术 主动隔震 LIGO尖端技术 l LIGO系统将所有重要 的测试质量 反射镜 用0 4mm粗的石英纤 维悬挂在一个称为 quad 的四阶摆 下 隔震技术 被动隔震 l 主链 Main chain 一侧面对激光 光斑 反应质量 则 帮助 测试质量 保持 稳定 l 测试质量重达40kg 可以利用惯性定理保持 稳定 LIGO尖端技术 l LIGO干涉臂光路所在 管道内的大气压只有海 平面大气压的约十亿分 之一 1uPa 真空技术 Tips 在非真空环境下 分子 空气流 和灰尘将会以如下方式影响系统的精 度 1 降低反射镜镜面的质量 使反射光斑 质量变差 2 使激光在传输中发生折射 使光束偏 离预定光路 3 产生严重的相干噪声 l 管道被加热到150 170 并保持30天 以 排除剩余的空气 l 用类似于小型喷气发动 机的涡轮泵产生吸力 将大部分空气吸出管 道 l 电磁泵通过电磁吸引的 方式 将少数孤立的气 体分子吸出管道 LIGO尖端技术 l LIGO用于测量的激光器是史 上在该波段最稳定

6、的激光器 P P 10 7 共采用4级 装置最后获得稳定的功率为 200W 波长为1064nm的激 光 激光器 Step1 由半导体激光器产 生波长为808nm 功率 约为4W的近红外激光 Step2 将激光导入非线性环 形振荡器 NPRO 经晶体降 频为1064nm的功率为2W的 激光 Step3 通过光放大设备使激 光功率提升到35W Step4 激光经高能振荡 器放大并整形 最后输 出波长为1064nm 功 率为200W的激光 LIGO尖端技术 l LIGO所使用的反射镜在材料 和面型技术上都达到了最顶尖 的水平 PV值小于 100 RMS值小于 1000 曲率半 径约为6km l 通过使用纯度极高的硅作为反 射镜的材料 使得每300万个 光子在其表面发生反射时 只 有一个被吸收 l 反射镜面面型的加工误差达到 了原子量级 反射镜 该数据为Initial LIGO 光学元件的加工精度 aLIGO再次进行了升 级 LIGO尖端技术 l LIGO每天运行产生的数据都 在TB量级 每天收集的数据 都会被及时传输到超级计算机 中进行存储和处理 l 目前LIGO获得的数据已经超 过4 5PB 1PB 1024TB 且 以每年0 8PB的速度递增 l LIGO2015年全年的数据如果 使用普通的四核计算机进行运 算需要超过1000年 数据传输 存储与计算 LIGO尖端技术 l LIGO在测量臂管道中设置了 大量的传感器阵列 如震动传 感器 加速度计 磁强计 麦 克风 微波探测器 天气传感 器 交流电源监视器等 总计 约有10 5个频道同时监控着 系统运行时的环境变化情况 l 所有的监测数据都以GPS时间 同步 同步时间误差小于 10us l 每个观测站的时间都由原子钟 和GPS授时系统综合控制精 度 环境监测与时间同步 Thank youThank youThank youThank you

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