引力波探测器

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引力波探测器引力波天文学中用于探测引力波的装置。常用的引力波探测装置有棒状探测器和激光干涉仪等。

棒状探测器是最早的引力波探测器,第一个这种类型的探测器是20世纪60年代美国马里兰大学约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)制造的[1],采用质实心圆柱,长2米,直径1米,用细丝悬挂起来。当引力波照射到圆柱上时圆柱会发生谐振,继而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测出来。它的缺点是容易受到地震、空气振动、温度和湿度变化、空气分子布朗运动的干扰。为排除这些干扰,韦伯在相距1000公里的地方放置了两个相同的棒状探测器,只有两个探测器同时检测到的振动才被记录下来。1968年,韦伯宣称他的探测器得到了可靠的结果,立刻引起轰动,但是后来的重复实验都得到了零结果,并且发现韦伯的棒状探测器的噪声远远大于引力波带来的响应。此后意大利澳大利亚、美国的科学家都相继建造了类似的铝质圆柱形探测器,有的采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰,但是都没有得到令人信服的证据。

近年来普遍采用的引力波探测器是激光干涉仪,这是一种基于法布里-珀罗干涉仪原理制成的引力波探测器,由两个互相垂直、长度基本相等的长臂组成,长臂的两端分别悬挂有高反光率的镜面,激光在两个长臂中来回反射,由于具有光程差,会产生干涉条纹。引力波会造成光程差出现微小的变化,从而引起干涉条纹的移动。为了增大等效臂长,往往令激光在臂中来回反射,可将光程差加倍,从而能够探测到频率更低的引力波。这种探测器的噪声主要来自于地震、悬挂物件的振动和空气分子的热噪声等,因此需要将光路中抽真空、建造复杂的振动隔离系统,严格控制光路中各个装置的振动,还要在多个地点建造同样的探测器,只有两个以上的探测器同时接受到同样的信号时才能得到可信的结果,而要确定引力波的方向至少需要3个不同地点的探测器。

应用激光干涉原理建成的第一个引力波探测器是美国的激光干涉引力波天文台,在路易斯安那州华盛顿州各有一个探测器,相距3002公里,每个探测器臂长4000米,光路中真空度为10-12大气压,光在其中来回反射使有效臂长增加近50倍。工程于1999年11月建成,耗资3.65亿美元。类似的探测器还有法国和意大利合作建造的VIRGO,每个臂长3000米,于2003年完工;德国英国合作的GEO600,臂长600米,于2001年完工;日本TAMA300,臂长300米,同样于2001年完工。日本还在计划建造臂长3000米的LCGTLarge-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope),澳大利亚也在计划建造AIGOAustralia Interferometer Gravitational Observatory)。

美国宇航局欧洲空间局曾计划于2015年发射首个空间引力波探测器激光干涉空间天线,由三个相同的航天器组成边长五百万公里的等边三角形,能够探测到频率范围为3×10-5至10-1赫兹,在3×10-3赫兹上灵敏度可以达到10-21。但是由于经费短缺而在2011年被取消。

参考文献[编辑]

  1. ^ Weber, J., 1960, Physical Review, 117, 306. doi:10.1103/PhysRev.117.306 NASA ADS