LIGO引力波测量原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,引力波测量原理,以,LIGO,激光干涉法为例,1,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),2,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,3,1974,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,109m,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,。,4,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=L,h,，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,10-2710-26,黑洞合并、大质量恒星遗骸合并,10-2110-20,超新星爆发,(,迄今为止人类观察到的最强引力波爆发,),10-1610-17,5,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；,6,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。,7,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,(100-300Hz),理论上,，该天文台可以探测到,3,亿光年远的引力波事件。,8,LI,GO,测量原理,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,9,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,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,=Lh,+,/c,10,LIGO,简介,LIGO,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。,LIGO,的主要测量仪器是利用,F-P,腔改进的迈克尔逊干涉仪。,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,。,利用能量循环装置提高激光功率达到,750kW,。,11,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,12,LIGO,尖端技术,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,“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。,测试质量重达,40kg,，可以利用惯性定理保持稳定。,13,LIGO,尖端技术,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。,管道被加热到,150,-170,并保持,30,天，以排除剩余的空气。,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。,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。,14,LIGO,尖端技术,LIGO,用于测量的激光器是史上在该波段最,稳定的激光器,(,P/P10-7),。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。,?,15,LIGO,尖端技术,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,),。,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。,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。,16,LIGO,尖端技术,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。,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。,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,17,LIGO,尖端技术,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,105,个频道同时监控着系统运行时的环境变化情况。,所有的监测数据都以,GPS,时间同步，同步时间误差,小,于,10us,。,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,18,19,Thank you,！,20,