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激光干涉引力波天文台

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激光干涉引力波天文台
LIGO
LIGO control.jpg
LIGO漢福德控制室
組織 LIGO科学协作英语LIGO Scientific Collaboration組織
位置 华盛顿州漢福德區
路易斯安那州利文斯頓
座標 46°27′18.52″N 119°24′27.56″W / 46.4551444°N 119.4076556°W / 46.4551444; -119.4076556 (LIGO Hanford Observatory)
30°33′46.42″N 90°46′27.27″W / 30.5628944°N 90.7742417°W / 30.5628944; -90.7742417 (LIGO Livingston Observatory)
波長 43~10,000公里(27~6,214英里)
頻率:30-7000Hz
建築 1999年
啟用 2002年8月23日
望遠鏡型式 引力波天文台
口徑 4,000米(13,000英尺)
網址 http://www.ligo.org/

激光干涉引力波天文台英语:Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory缩写LIGO)是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台。1992年,由加州理工学院的物理学家基普·索恩朗納·德瑞福,与麻省理工学院莱纳·魏斯共同创建,“激光干涉引力波天文台”(LIGO)是麻省理工学院加州理工学院和其他院校等的科学家们的一个联合项目。参与该项目的科学家们和引力波天文学中的数据分析是被LIGO科学协作英语LIGO Scientific Collaboration计划所组织,其中包括全球900多个科学家,以及44000名活跃在Einstein@Home的用户[1][2]。LIGO是由美国国家科学基金会(NSF)资助,并由英国科学与技术设施委员会英语Science and Technology Facilities Council,德国马克斯普朗克学会澳大利亚研究理事会英语Australian Research Council做出了重要贡献[3][4]。到2015年9月中旬,“世界上最大的引力波设施”已完成了5年2亿美元的检修,总成本达到6.2亿美元[2][5]。LIGO是有史以来由美国国家科学基金会资助的规模最大,和最雄心勃勃的项目[6][7]

2002年至2010年间首次LIGO运行并没有发现任何引力波。在此之后的多年停机,而在同时检测器被大大改善的“先进LIGO”版本所代替[8]。到2015年2月,两个此类先进的引力波探测器(一个在路易斯安那州利文斯頓,而另一个在华盛顿州汉福德)被带进入工程模式[9]。在2015年9月18日,先进LIGO在以初始LIGO干涉仪的约四倍的敏感度开始了第一次正式的科学观测[10]。它的灵敏度将进一步提升,直至2021年左右达到设计的灵敏度[11]

在2016年2月11日,LIGO科学合作英语LIGO Scientific Collaboration机构和处女座干涉仪合作的1012位作者发表了关于探测引力波的一篇论文,在2015年9月14日09.51 UTC检测到的引力波信号,在距离地球有13亿光年处有两个大约30倍太阳质量的黑洞合并在一起[12][13][14]

構造[编辑]

探测器采用迈克耳孙干涉仪法布里-珀罗干涉仪的原理(吉莱-图努瓦干涉反射镜英语Gires–Tournois etalon),主要部分是两个互相垂直的长臂,每个臂长4,000米(13,000英尺),臂的末端悬挂着反射镜。管道采用不锈钢制成,直径1.2米(3英尺11英寸),内部真空度为10-12大气压。大功率的激光束在臂中来回反射大约50次,使等效臂长大大增加,形成干涉条纹。引力波会造成光程差发生变化,导致干涉条纹发生移动。

歷史[编辑]

LIGO汉福德探测器的北侧干涉臂

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空波动,激光干涉引力波天文台设计目标是检测聯星系統超新星爆发致密星的合并、宇宙弦黑洞中子星等天体物理过程中产生的引力波。

俄國物理學者麥可·葛特森希坦英语Michael Gertsenshtein弗拉基斯拉夫·普斯投沃特英语Vladislav Pustovoit最早於1962年發表論文提議建造干涉探測器來探測引力波,可是,這點子並未獲得重視。[15]四年後,弗拉基米爾.布拉金斯基英语Vladimir Braginski再度提出這點子,然而仍舊無疾而終。後來,約瑟·韋伯英语Joseph Weber莱纳·魏斯也分別獨立發表出類似點子。韋伯的學生羅伯特·弗爾沃德英语Robert Forward休斯研究實驗室英语Hughes Research Laboratories工作時,受到莱纳·魏斯的鼓勵,決定使用休斯的經費來製造一台干涉探測器。1971年,弗爾沃德首先建成臂長8.5m的雛型引力波干涉探測器,經過150小時的觀測以後,弗爾沃德報告,並未觀測到引力波。[16]:第10節

70年代,魏斯團隊在麻省理工學院漢斯·彼林英语Hans Billing團隊在德國加興马克斯·普朗克研究所朗納·德瑞福團隊在格拉斯哥大學,分別建成並且投入运行雛型引力波干涉探測器。同時期,基普·索恩加州理工學院組成了實驗引力波團隊。1979年,他特別從格拉斯哥大學聘請德瑞福來領導這團隊,並且建造引力波干涉器。1983年,建成一台40m臂長的引力波干涉器。在麻省理工學院的魏斯團隊,由於申請到較少實驗經費,只能建成一台1.5m臂長的引力波干涉器。兩個團隊激烈地兢爭,試圖計畫與製造更靈敏、更先進的引力波干涉器。1984年,為了更有效率地運用有限資源,加州理工學院與麻省理工學院同意联合設計與建造LIGO,並且由基普·索恩朗納·德瑞福莱纳·魏斯共同主持這計畫。[17]

1990年,美國國家基金會批准了LIGO計畫。隔年,美國國會開始撥款給LIGO計畫。翌年,選定在路易斯安那州利文斯頓與在华盛顿州汉福德分別建造相同的探測器,彼此相距3000公里。只有两个探测器同时检测到的信息才有可能是引力波的信号。为了降低震動噪聲对系统带来的干扰,必須使用结构复杂的防振系統,例如,将测试质量置于多重階段的悬挂上。为降低空气分子热运动的影响,光路中抽成10-12大气压的真空[18]。1994年,加州理工學院教授巴利·巴瑞栩英语Barry Barish被委派為LIGO主任。他建議,LIGO應該設計為一台可以持續演進的探測器,任何零件都可以很容易的進行改良。在他的領導下,開始建造LIGO, 1999年完工。2002年正式進行第一次探測引力波,2010年結束蒐集數據。在這段時間內,並未探測到引力波,但是整個團隊獲得了很多寶貴經驗,靈敏度也越加改善。[17]在2010年與2015年之間,LIGO又經歷大幅度改良,升級後的探測器被稱為「先進LIGO」(aLIGO),於2015年再次開啟運作。[19]

2016年2月11日,LIGO科學團隊與處女座干涉儀團隊宣布,人類首次直接探測到重力波。所探測到的重力波源自於雙黑洞併合。兩個黑洞分別估計為29及36倍太陽質量。[20][21]同年6月15日,兩個團隊又共同發佈聲明表示,第二次直接探测到引力波,其發生於2015年12月26日。從分析相關探測信號,學者認為,該事件是由兩個質量分別為14.2 (+8.3, −3.7) M⊙ 與 7.8 (+2.3, −2.3) M⊙的黑洞合併所造成,其發生地點離地球有14億光年之遠。利文斯頓探測器先探測到引力波,1.1 msec之後,汉福德也探測到引力波。在1秒鐘的探測期內,信號頻率從35 Hz升高至450 Hz。這併合事件被命名為「GW151226」.這探測結果更加證實了廣義相對論[22][23]

先进LIGO[编辑]

激光干涉引力波天文台于1999年11月建成,耗资3.65亿美元。2005年,激光干涉引力波天文台开始进行改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。改造之后的探测器灵敏度将提高1个数量级,称为先进激光干涉引力波天文台(Advanced LIGO)。

未来[编辑]

"LIGO-印度"是倡议中的LIGO实验室和印度引力波观测组织英语Indian Initiative in Gravitational-wave Observations(INDIGO)之间拟议的合作项目,旨在打造印度的世界级的引力波探测器。

參見[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ LSC/Virgo Census. myLIGO. [28 November 2015]. 
  2. ^ 2.0 2.1 Castelvecchi, Davide, Hunt for gravitational waves to resume after massive upgrade: LIGO experiment now has better chance of detecting ripples in space-time, Nature News, 15 September 2015 [12 January 2016] 
  3. ^ Major research project to detect gravitational waves is underway. University of Birmingham News. University of Birmingham. [28 November 2015]. 
  4. ^ Shoemaker, David. The evolution of Advanced LIGO (PDF). LIGO Magazine. 2012, (1): 8. 
  5. ^ Zhang, Sarah. The Long Search for Elusive Ripples in Spacetime. 15 September 2015. 
  6. ^ Larger physics projects in the United States, such as Fermilab, have traditionally been funded by the Department of Energy.
  7. ^ LIGO Fact Sheet at NSF
  8. ^ Gravitational wave detection a step closer with Advanced LIGO. SPIE Newsroom. [4 January 2016]. 
  9. ^ LIGO Hanford's H1 Achieves Two-Hour Full Lock. February 2015. (原始内容存档于2015-09-22). 
  10. ^ Amos, Jonathan. Advanced Ligo: Labs 'open their ears' to the cosmos. BBC News. 19 September 2015 [19 September 2015]. 
  11. ^ Planning for a bright tomorrow: prospects for gravitational-wave astronomy with Advanced LIGO and Advanced Virgo. LIGO Scientific Collaboration. 23 December 2015 [31 December 2015]. 
  12. ^ LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, B. P. Abbott. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letter 116, 061102 (2016). February 11, 2016 [2016-02-11]. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. 
  13. ^ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze. Einstein's gravitational waves found at last. Nature News. 11 February 2016 [11 February 2016]. doi:10.1038/nature.2016.19361. 
  14. ^ Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction (PDF). LIGO. February 11, 2016 [11 February 2016]. 
  15. ^ Gertsenshtein, M. E.; Pustovoit, V. I. On the detection of low frequency gravitational waves. JETP. 1962, 43: 605–607. 
  16. ^ Cervantes-Cota, J.L.; Galindo-Uribarri, S.; Smoot, G.F. A Brief History of Gravitational Waves. Universe. 2016, 2 (3): 22. Bibcode:2016Univ....2...22C. doi:10.3390/universe2030022. 
  17. ^ 17.0 17.1 For Media/ LIGO history. LIGO Caltech. LIGO Caltech. [1 August 2017]. (原始内容存档于4 July 2017). 
  18. ^ Peter Aufmuth and Karsten Danzmann. Gravitational wave detectors. New Journal of Physics. 2005, 7: 202. doi:10.1088/1367-2630/7/1/202. 
  19. ^ Facts. LIGO Lab | Caltech. [2016-02-15]. (原始内容存档于4 July 2017). 
  20. ^ Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction. LIGO, Caltech. [2016-02-11] (英语). 
  21. ^ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze. Einstein's gravitational waves found at last. Nature News. February 11, 2016 [2016-02-11]. doi:10.1038/nature.2016.19361. 
  22. ^ Chu, Jennifer. For second time, LIGO detects gravitational waves. MIT News (MIT). June 15, 2016 [15 June 2016]. 
  23. ^ Overbye, Dennis. Scientists Hear a Second Chirp From Colliding Black Holes. New York Times. June 15, 2016 [June 15, 2016]. 

延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]