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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,其在美國華盛頓州的汉福德與路易斯安那州的利文斯頓,分別建有激光干涉探測器。兩個幾乎完全相同的探測器共同進行篩檢,可以大幅度減少誤判假引力波的可能性。[1]探測器的靈敏度極高,即使臂長為4千米的干涉臂的長度發生任何變化小至質子電荷直徑的萬分之一,都能夠被探測器精確地察覺。[2]

LIGO是由美国国家科学基金会(NSF)资助,由加州理工学院麻省理工学院的物理学者基普·索恩朗納·德瑞福莱纳·魏斯領導創建的一个科學项目,兩個學院共同管理與營運LIGO的日常操作。在2002年至2010年之間,LIGO進行了多次探測實驗,蒐集到大量數據,但並未探測到引力波。「進階LIGO」將原始LIGO的功能於2010年進行大幅度改良,直至2014年完成。隔年,先进LIGO开始正式观测引力波。[3]LIGO科学协作英语LIGO Scientific Collaboration負責组织参与该项目的人員,估計全球約有1000多个科学家參與探測引力波,另外,在2016年12月約有44萬名活跃的Einstein@Home用户。[4][5]

在2016年2月11日,LIGO科学协作英语LIGO Scientific Collaboration机构和处女座干涉仪共同发表论文表示,在2015年9月14日检测到引力波信号,其源自於距离地球約13亿光年处的两个質量分別為36太阳质量與29太阳质量的黑洞并合。[6]

歷史[编辑]

LIGO位於華盛頓州汉福德的探测器。
LIGO位於路易斯安那州利文斯頓的探测器。

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。[7]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。[8]: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。[3]

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。为了降低地噪声对系统带来的干扰,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[9]。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。[3]

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)。[10]到2015年9月中旬,“世界上最大的引力波设施”已完成了費時5年,耗資2亿美元的检修,总成本达到6.2亿美元,[5]成為有史以来由NSF资助的最大规模、最雄心勃勃的项目[註 1][11]。在2015年9月18日,再次开啟正式观测。這時,先进LIGO的靈敏度已是初始LIGO的约四倍左右,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。[12]

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。[13][14]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[15][16]

任務[编辑]

從最初始,NSF就已批准LIGO直接觀測源自宇宙的引力波,開啟新興學術領域引力波天文學。LIGO 實驗室的任務為[17][18]

  • 觀測引力波源。
  • 操作LIGO設施,提供相關服務給國內與國外的科學團隊。
  • 發展先進探測器來接近與開拓干涉器的功能極限。
  • 援助關於引力波天文學的科學教育,積極策劃與鼓勵大眾參與相關活動。
  • 成功完成先進LIGO計畫

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。

增進LIGO[编辑]

在科學實驗第五回(fifth scientific run, S5)完成之後,初始LIGO的很多功能都被加以適度提升,由於所涉及的工程有限,只需將初始LIGO的設備稍加改良,不必完全拆除現有設備,就可以達到提升功能的目的。[註 2]改良後的天文台稱為「增進LIGO」,其意圖提升靈敏度為初始LIGO的兩倍,提升宇宙探測容積為初始LIGO的八倍。增進LIGO 還會檢試幾個決定先進LIGO成功與否的關鍵技術,從而降低先進LIGO失敗的風險,提高先進LIGO成功的可能性。為了增加探測器的靈敏度,增進LIGO 提升了激光器的功率,將激光器的功率從10瓦特提升至35瓦特。為了減少散粒噪聲對於靈敏度的限制,它又改變了引力波所造成的響應的讀取方式,從「射頻讀取」改變為「直接轉換讀取」。[19]:第3.4.1節[20]:第2節[21]

由於對於初始LIGO的改良,增進LIGO 在最靈敏頻率的靈敏度提升了約30%,在100 Hz頻帶內,應變噪聲已壓抑至先前未有的水平2×10-22。增進LIGO 於2009年7月至2010年10月進行了科學實驗第六回(sixth scientific run, S6),從分析獲得的數據,雖然沒有找到引力波的信號,但仍舊推論出一些有意思的天文物理學結果。[22]:1

先进LIGO[编辑]

先進LIGO位于汉福德区(H1)及利文斯顿(L1)的两架探测器示意图:左上为探测器大致位置及朝向,中间为探测器结构简图,右上为探测器应变噪声頻譜。[23]

2010年,在初始LIGO結束運作之後,它所使用的第一代干涉探測器被完全拆除,這是為了要清空位置來安裝先進LIGO的第二代干涉探測器。按照設計規格,先進LIGO的靈敏度將比初始LIGO高出10倍,這意味著先進LIGO找尋引力波的探測半徑會比先前高出10倍,探測範圍也會擴大1000倍以上,能夠探測到的引力波波源比先前要多出1000倍,並且,探測頻帶下限更寬闊地從40Hz降低到10Hz。具備有這樣高靈敏度的先進LIGO,專家預測,每年應該可以探測到十幾個緻密雙星併合事件。但為了要達到目標靈敏度,代價不菲,干涉探測器的幾乎每一個組件都必須被更換,新安裝的組件則是經過嚴格測試證實功能更為優良的高端科技產品。在低頻區,頂級的地震隔離技術與測試質量懸掛技術貢獻出高靈敏度;在中頻區與高頻區,更高的激光器功率、更大尺寸與更大質量的測試質量、改良的鏡子塗層是導致高靈敏度的關鍵因素。[22]:1

如同初始LIGO,先進LIGO也使用配備了法布里-珀罗空腔的功率回收式迈克耳孙干涉探測器。除此以外,先進LIGO還在干涉探測器的輸出口裝置了「信號回收鏡」,其能夠調配被散粒噪聲所限制的靈敏度。對於每種不同的引力波源,該技術可以客製地給出優化的靈敏度。[20]:第3節

為了促使被散粒噪聲限制的靈敏度獲得改善,輸入激光器的功率會被增加到 180瓦特,干涉臂的激光循環功率也會從初始LIGO的10千瓦特增加到800千瓦特。[20]:第3節初始LIGO使用直徑25cm、質量11kg的熔凝石英為測試質量,為了降低熱噪聲,先進LIGO將測試質量的直徑增加為34cm,為了壓抑輻射壓強噪聲至相當於懸掛熱燥聲的水平,先進LIGO又將測試質量的質量增加為40 kg。[18]熔凝石英纖維將測試質量懸掛在半空中,這設計能將可探測頻率限制在10 Hz以上。為了達到目標靈敏度,先進LIGO要求在頻率10 Hz以上的地面運動被壓抑10 個數量級。懸掛測試質量的多階系統能夠減弱地面運動7個數量級。安置這多階擺系統的主動控制地震隔離平台可以更加地壓抑3個數量級。[24]:2

2015年9月,經過5年的重新設計與重新建造的工作,耗費2億美金,觀測實驗第一回(first observation run, O1)正式開始。這一次,實驗範籌已大幅度改變,很多天文學術界團隊都參與共襄盛舉,先進LIGO可以通知全世界74座觀測天文台中的任何幾座觀測天文台,只需片刻,它們就可以將望遠鏡對準天空,尋找可能引力波源所發射出的光信號。雖然尚未達到設計標準靈敏度,先進LIGO的靈敏度已改善為初始LIGO的3倍。這意味著先進LIGO能夠探測到3倍遠的距離,探測容積為初始LIGO的27倍。[12][25]

在從2015年9月至2016年1月進行的O1實驗中,LIGO-Virgo聯合團隊找到兩次引力波事件GW150914GW151226。另外一次事件LVT151012發生於2015年10月,但是由於信噪比過低,因此不被確認為引力波事件。[26]O1實驗結束後,探測行動停止了10個月,在這時期中,兩個設施經歷了一系列的升級工程,利文斯頓設施的靈敏度獲得15–25% 改良,漢福德設施的靈敏度並未獲改良。總體而言,先進LIGO的探測半徑可從O1實驗的40–80 Mpc 擴張到觀測實驗第二回O2的目標80–120 Mpc的低端。

觀測實驗第二回O2的觀測期是從2016年11月至2017年8月25日。由於測試質量懸掛系統發生問題,直到2017年8月1日Virgo才正式開始參與合作探測,這次總共參與了25日。[27][28]未來,將會完成更多觀測實驗,之間,也會進行多次升級工程,目標是在2021年達到設計靈敏度。[29]

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]

註釋[编辑]

  1. ^ Larger physics projects in the United States, such as Fermilab, have traditionally been funded by the United States Department of Energy.
  2. ^ 先進LIGO將會拆除整個干涉探測器。

參考文獻[编辑]

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  20. ^ 20.0 20.1 20.2 {cite arXiv |author=Joshua R. Smith for the LIGO Scientific Collaboration |eprint=0902.0381v2 |title=The path to the enhanced and advanced LIGO gravitational-wave detectors |class=gr-qc |date=2009| doi =10.1088/0264-9381/26/11/114013 }}
  21. ^ Adhikari, Sam; Fritschel, Peter; Waldman, Rana. Enhanced LIGO (PDF) (Technical report). July 17, 2006. LIGO-T060156-01-I. 
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外部連結[编辑]