LIGO引力波测量原理优质PPT课件
引力波的PPT
1915年
爱因斯坦发表场方程，建立了广 义相对论，预言了引力波的存在。
1916年
史瓦西计算了不旋转、无电荷黑洞的物 理性质，解释了爱因斯坦场方程的解，推 动了引力波的研究。
1974年
脉冲双星PSR1913+16的发现证实了致密双星系 统的引力辐射与广义相对论的预言一致。
1963年
罗伊·克尔给出了旋转黑洞的解， 为引力波的发现打下了基础。
引力波的用途
引力波的发现类似当年的发现X光一样，是一 种工具。有了这个工具，可以利用引力波的观 察，去观察遥远的宇宙的现象。发现暗物质、 时空穿梭等等才是有可能实现的事情。
引力波不同在于，引力波的周期要长得多，同 时也微弱的多，能观察到引力波，至少要具备 一定的技术水准，观察到引力波说明在这个领 域人类的技术进步到了前所未有的水平。
LIGO的测量设备是一个巨大的“L”形 用激光到两点的时间变化测量引力波
但有引力波扫过时 通过测量从不同点返回的激光产生的干涉条纹
科学家们可以十分精确的测量出距离的变化
视频具体了解引力波
引力波的发现有什么意义
引力波证实了暴涨理论
爱因斯坦提出的广义相对论中的其他语言 都已经获得证实
而引力波正是最后一块被证实的拼图 犹如一栋崭新的物理学体系“上梁”
引力波会引起时空上的扭曲 就可以用“尺子”来测量
×
普通的尺子肯定是不行的，因为尺子ห้องสมุดไป่ตู้刻度 会随着时空一起拉伸压缩
√
科学家用光作为他们特殊的尺子。如果两点 之间距离变化，那么光往返两点的时间也会 发生变化。
2016年的引力波是怎么测量的
不锈钢 管道直 径1.2米
激光束臂内 来回约50次
内部真空度为 10^-12大气压
《迈克逊干涉仪与引力波探测》
三、引力波探测
人类首次探测到引力波
探测到的引力波信号初始频率为35赫 兹，接着迅速提升到了250赫兹，最 后变得无序而消失，整个过程持续了 仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测 器比位于汉福德的探测器早探测到7 毫秒，这个时间差表明引力波是从南 部天区传来
三、引力波探测
人类首次探测到引力波
意义：
1.广义相对论以时空几何来描述引力，而引力波的发现，代表了人类直接探测到了 时空几何的动态扭曲。 2.作为恒星演化的末态，黑洞是天文学中的一种重要物体。引力波让我们详细观测 到了其附近时空几何的强烈弯曲和震荡。 3.进一步的引力波观测，让我们以全新的方式精确的检验广义相对论，也开启了观 察宇宙的新视窗。 4.LIGO的实验本身，代表了精密测量科学取得了重大进步。
人类首次探测到引力波
美国当地时间2016年2月11日上午10点30分（北京时间2月11日23点30分），美国 国家科学基金会（NSF）召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合 作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波！
三、引力波探测
人类首次探测到引力波
美国当地时间2016年2月11日上午10点30分（北京时间2月11日23点30分），美国 国家科学基金会（NSF）召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合 作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波！
一、时空弯曲
钟慢实验：铯原子钟环球飞行实验
对于GPS卫星，得到的结论就是 卫星时间每天要比地面快38微秒。
一、时空弯曲
双生子佯谬
钟慢：在空间中高 速移动的时钟，比 固定于地面上的时 钟走得慢。
一、时空弯曲
光的传播路径——直线？
ligo原理
ligo原理LIGO原理。
LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）是一项用来探测引力波的大型科学实验项目。
引力波是由爱因斯坦的广义相对论预言的一种重要物理现象，它们是由极为巨大的天体运动所产生的，比如黑洞合并或者中子星碰撞。
LIGO的建立旨在通过探测引力波来验证爱因斯坦的理论，并且开启一扇观测宇宙的新窗口。
LIGO的基本原理是利用激光干涉仪来探测引力波。
激光干涉仪是一种利用激光干涉原理来测量长度变化的仪器，它由两条垂直放置的光路组成。
当引力波通过地球时，它会导致地球的长度发生微小的变化，这种微小的长度变化会导致激光在干涉仪内部产生相位差，最终被探测器所记录下来。
为了提高探测的精度，LIGO采用了极其精密的光学元件和激光技术。
激光光束需要在干涉仪内部来回多次反射，以增加光程差的灵敏度。
此外，为了降低外界干扰，LIGO还采用了多层次的隔离系统和主动控制系统，以确保仪器的稳定性和精度。
除了技术上的挑战，LIGO还需要面对天文学上的挑战。
由于引力波的传播速度极快，一旦引力波通过地球，其信号就会很快消失。
因此，LIGO需要不断地改进探测器的灵敏度和观测范围，以增加探测引力波的成功率。
自从LIGO项目启动以来，已经取得了一系列重大的科学成果。
2015年，LIGO首次成功探测到了来自黑洞合并的引力波信号，这一发现引起了全球科学界的轰动。
随后，LIGO相继探测到了多次引力波信号，为天体物理学和宇宙学领域的研究提供了重要的数据支持。
总的来说，LIGO的建立和发展标志着人类对宇宙的观测能力迈出了重要的一步。
通过LIGO的工作，我们不仅能够更好地理解引力波这一重要物理现象，还能够深入探索宇宙中的一些最神秘的现象，比如黑洞、中子星等。
可以预见，随着LIGO技术的不断完善和观测能力的提高，我们对宇宙的认识将会更加深入和全面。
LIGO的原理和工作原理对于我们理解宇宙和天体物理学的发展具有重要的意义。
引力波
（图1注：双黑洞系统想象图。
（来源于LIGO网站））天外飘来引力波对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种。
既然称之为引力波，它必然与引力有关。
所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。
17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。
万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。
直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。
这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。
所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。
相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。
人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。
可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。
与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。
在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。
可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为GW150914。
（图2注：LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。
上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。
（来源于LIGO所发文章））两个黑洞的“火并”此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。
这也是人们首次直接发现双黑洞，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。
引力波报告-物理课件PPT
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7
引力波 的探测
1973年PSR1913+16
转动周期累积移动观测 1. 引力波信号的强度很低。哪怕是很强的天体物理引力波源
值与广义相对论预言值 所释放的引力波强度，到达地球时也只有1e-21。在LIGO的
的比较。图中蓝色曲线 长4000米的探测臂上所引起的尺度变化仅约1e-18米，相当
为广义相对论的预测值， 红点为观测值。两者误
引力波的探测
Gravitational Wave Detection
王艳海
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• Induce an extremely small spatial strain, h ≈ 10-21 → large scale detector.
• Best indirect evidence of GWs from observation of binary pulsar PSR 1913+16.
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引力波
承上启下的“乐章”——引力波
如果说广义相对论的验证比作一场音乐会，引力波的探测历程就好像承上启下的乐章，也许前 奏低沉甚至失落，但中间定会激情高昂。在它之前，广义相对论已初步成功验证，并应用到各个方 面；在它之后，引力波如果被我们探测到，会怎么样呢？
引力波将帮助探索物理上一些重大问题，如为黑洞的存在与否提供更直接的证据。引力波为探 索宇宙打开了一扇新的窗户，势必会带来更多的科学新发现。过去所做的大部分天文学研究是基于 不同形式的电磁波，但电磁波容易被介于目标天体和观测者之间的物质散射或吸收等。如果观测手 段是引力波，因为宇宙相对于它们近乎透明，影响微弱，人们将可能观测到在其它方式下被阻挡的 天体，以及并没有产生电磁辐射的天体现象。 正如发布会上所说，这还只是一个开始，未来基于引力波这扇窗户，我们会看到和听到更多。 说不定未来真的可以用引力波来传递信号呢。 中国科学家也是寻找引力波这个追梦队伍中的活跃分子。2014年3月，天琴空间科学任务的概 念被提出，其主要科学目标是直接探测爱因斯坦广义相对论预言的引力波以及精确测定后牛顿参数。 天琴项目还处于起步阶段，势必面临着诸多挑战，也意味着诸多机遇，相信这也将让中国的引力波 探索更上一层楼。
在未来我们用引力波的耳朵来聆听宇宙时，不要忘记，有一代代的人为此付出。
我们在关注娱乐新闻的同时，不妨看看这些自然科学的事件。因为，人类的发展归根结底 是科技的发展。
2016/7/14
谢谢观看
鸣谢：加布里埃拉·冈萨雷斯 鸣谢单位：美国
爱因斯坦 泰勒 赫尔
激光干涉引力波天文台（LIGO） 麻省理工学院 加州理工学院 美国国家科学基金会(NSF)
天文学有了“耳朵”
——引力波的发现 by 木叶忆枫
引力波 课件
这是牛顿的看法….
光速
狭义相对论 光速是绝对的，时间、空间都是相对的….
没有引力波时…..
引力波
引力波传来时
引力波
声波
引力波扭曲的是时空， 时空泛起的涟漪…
只要非少在，科学充满爱
如何检测？
LIGO 激光干涉仪引力波天文台
11亿年前
黑洞撞击
引力波 引力波穿越？
穿越
2016年6月15日人类观测到来自 11亿年以前的两个黑洞撞击的引 力波….
最喜欢得什么奖？
这款….
这款….
这款….
诺贝尔
诺贝尔包括哪些奖项？
章节内容
物理
化学
生理
文学
经济
和平
为什么没有数学奖？
说法1：情敌说
劈腿说
说法2：不重视数学 说法3：当时有很牛的数学奖
怎么才能获奖？
诺贝尔 因素1：够牛，但不能牛到没朋友
因素2：够长寿
劳斯：1911年发现病毒导致癌症， 55年后才被颁发诺贝尔奖。
引力波
引力的作用是瞬间的.. 超光速的东西不存在….
引力波 根本不存在什么引力
广义相对论 时空不是啥也没有，它也可以拧巴
广义相对论
胖子坐在沙发上压出来一个大 坑….瘦子会不由自主溜过 来…
广义相对论
胖子扭曲了时空，瘦子自己站 不住，溜过来了….
黑洞 扭曲得太严重就变成奇点了
引力波 再说说波…
只要非少在，科学充满爱
波
波 波是一种抖动….例如下图的人浪
波 水波就是水的抖动….
声波 声波(空气中的）就是空气的抖动…
声波
引力波扭曲的是时空， 时空泛起的涟漪…
引力波 说说引力波的影响…
引力波探测现状精品PPT课件
未来方向：
目前并没有看到LIGO详细的发展规划，但其团队发表在《Physical Review Letters》 上的文章，在后面的OUTLOOK部分，它们提到了后续的计划：
• Efforts are under way to enhance significantly the global gravitational_wave detector network [117]. These include further commissioning of the Advanced LIGO detectors to reach design sensitivity, which will allow detection of bin aries like GW150914 with 3 times higher SNR. Additionally, Advanced Virgo, KAGRA, and a possible third LIGO d etector in India [118] will extend the network and significantly improve the position reconstruction and parameter es tBiblioteka mation of sources.
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幻灯片辅助设计软件
目录
catalogue
一是 国际引力波研究现状
地面引力波探测装置：LIGO、Virgo、GEO600、TAM300、KAGRA 空间引力波探测装置：LISA (eLISA)、EDCIGO
二是 国内引力波研究现状
天琴计划 阿里计划
国际引力波研究现状
• Current operating facilities in the global network include the twin LIGO detectors— in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana—and GEO600 in Germany. The Virgo detector in Italy and the Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) in Japan are undergoing upgrades and are expected to begin operations in 2016 and 2018, respectively. A sixth observatory is being planned in India. Having more gravitational-wave observatories around the globe helps scientists pin down the locations and sources of gravitational waves coming from space
引力波PPT课件
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20世纪90年代，麻省理工学院的莱纳·魏斯 （Rainer Weiss）想到了一个绝妙的点子： 用激光的干涉来测量引力波。
简单来说，一束激光在经过一个半透镜后 朝向两个互相垂直的方向前进，各自撞上 一面反射镜，反射回来重新汇聚。理论上， 只要反射镜与半透镜的距离精确一致，汇 聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。而 一旦引力波经过，激光走过的距离被改变， 干涉现象也会因此发生变化，从而被观测 到。
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尽管引力波看起来没什么用，但它却有着 令人惊叹的能力和性质——他能以光速传 播时空扰动。
如果一串引力波迎面通过你，那么变高变 瘦对于你而言将不再是梦想。当然，变矮 变胖也一样。在引力波的作用下，你会不 断发生拉伸和压缩，你会先变高变瘦，再 变矮变胖，再变高变瘦，再变矮变胖……
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引力波
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杰克和露丝之所以会互相吸引，除了因为 爱，还因为质量。在爱因斯坦的描述中， 有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲， 物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害。
如果你将时空看成一张大橡胶膜，然后往 上面放一个露丝，那么她的质量就会把橡 胶膜往下压，在旁近放一个杰克，你可以 看到这个景象：
.3Biblioteka .4可以看到，露丝球和杰克球分别造成的时 空弯曲，让他们俩逐渐滚向了对方并最终 亲密接触（哪里不对）。当然了，被另一 半问到“你为什么被我吸引”时，如果你回 答“因为你重”，后果自负。
太阳和地球的关系也是一样道理，只不过 太阳的比地球质量大得多，造成的时空扭 曲也更大，所以看上去，地球在绕着太阳 旋转——按照广义相对论的思路，“引力” 只是时空扭曲必然带来的现象。
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LIGO引力波探测器测量和解读
LIGO引力波探测器测量和解读引力波是由于大质量物体如黑洞或中子星的运动而产生的扰动，它们在时空中传播，并以波动形式传递能量。
引力波的探测对于理解宇宙的演化、黑洞的性质以及广义相对论的验证至关重要。
LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）是一种用于探测引力波的探测器，它通过测量光的干涉来探测引力波的存在。
本文将讨论LIGO引力波探测器的测量原理和解读引力波信号的方法。
LIGO引力波探测器的测量原理基于干涉仪的原理。
LIGO由两个L 形的激光干涉仪组成，每个干涉仪的臂长为4公里。
当引力波通过地球时，会导致空间的扭曲，进而扭曲干涉仪的臂长。
当激光束从干涉仪的两条臂中通过，它们在干涉仪中心相遇形成干涉图样，干涉图样的变化可以用来测量引力波的存在。
LIGO引力波探测器的测量过程可以分为两个步骤：探测引力波和解读引力波信号。
首先，当引力波通过地球时，在空间中产生幅度和频率的变化。
这些变化会导致激光束在通过干涉仪时的干涉图样发生改变。
通过测量干涉图样的变化，LIGO可以探测到引力波的存在。
其次，解读引力波信号需要进行数据分析。
引力波信号会以特定的频率和幅度模式呈现，通过分析信号的频谱和波形，科学家可以推断引力波的来源和性质。
对于引力波的解读，科学家使用了不同的数学和物理模型。
其中之一是通过匹配模板法来解读引力波信号。
模板法根据已知的引力波信号特征，建立起一系列模板，并将模板与实际观测到的引力波信号进行比较。
通过找到最佳匹配的模板，科学家可以推断引力波的来源。
另一个解读引力波的方法是使用参数估计。
这种方法通过最大似然估计来获得引力波信号的参数，例如质量和自旋。
通过对参数的估计，科学家可以进一步了解引力波的性质和源。
LIGO引力波探测器的成功在于其出色的灵敏度和测量能力。
LIGO 的灵敏度可达到10^-23，即能够探测到地球直径的十分之一的变化。
天体物理学报LIGO引力波探测器释疑PPT课件
⟹ Electromagnetic radiation
The General Theory of Relativity and theory of Gravity (1916)
Gravity described as a warpage of spacetime, not a force acting at a distance
Joseph Taylor
Russell Hulse
17 / sec Very precise clock
~ 8 hr
forbitaltoday ~ 0.000035 Hz (35 microHertz)
forbital300,000,000 yrs ~ 100 Hz (in LIGO band)
LIGO-G1401149-v1
Outline
The LIGO mission Gravitational waves and their detection Astronomical sources for LIGO The Advanced LIGO Project Prospects for a global network
suspended (‘freely falling’) mirrors
Passing GWs stretch and compress the distance between the end test mass and the beamsplitter
On behalf of the LIGO Scientific Collaboration
13 October 2014 Eastern Forum of Science and Technology (EFST)
第十讲引力波及其探测
引力波旳探测—韦伯旳尝试
假如入射波满足共振条件，形变能够被大大加 强并超出背景噪声，棒上附属旳压电晶体就会 探测到位移，并将其转换为电信号，传达给外 电路。为了确保足够旳共振时间，同步也为了 降低系统噪声，棒旳阻尼要比较小。
为了尽量排除干扰，韦伯旳策略是，只有两个 以上旳金属棒同步收到超出背景噪声旳信号时， 才将其作为确切成果记下。他在距离马里兰上 千公里旳芝加哥设置了一种共振棒。
牛顿啊，请 原谅我……
换句话说，虽然你跑 得非常快，你也无法 追上光。
爱因斯坦决心重新审查万有引力 理论，他在《自述》这篇文章中， 写下了这么一句话：“牛顿啊， 请原谅我……”
引力波旳预言----爱因斯坦狭义相对论
狭义相对论旳原理：
光速是恒定旳，完全不依赖于观察者及光源旳 速度。
物理学旳法则并不依赖于观察者旳运动，除非 观察者旳速度有变化。
理论研究表白: 只有由两颗中子星构成旳 双星体系才有可能检验引力辐射阻尼。
在已经发觉旳大约五百颗脉冲星中, PSR 1913+16 是最早旳一种由两颗中子星构成 旳双星系统。
轨道周期7.75小时 椭率0.617
引力子旳探测 — 引力波自然源
从1974年后来, 泰勒和他旳合作者赫尔斯 不断地分析积累数年旳观察资料, 发觉：
狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对 论在特殊情况之下旳特例。狭义相对论是在没 有考虑重力时旳情况；而万有引力定律则是在 距离近、引力小和速度慢时旳情况。
引力波旳预言----爱因斯坦广义相对论
应用广义相对论回答刚开始提出旳问题：假如太 阳忽然消失，将会发生什么？
根据广义相对论，行星之所以围绕太阳是因为它 们沿弯曲时空旳最短路线行走。
特点：随机性。
引力波探测
引力波探测引力波是宇宙中最神秘的信号之一，它们是爱因斯坦广义相对论预言中的一种现象，由质量巨大的物体加速运动产生。
这些波动以光速传播，携带着关于宇宙最剧烈事件的珍贵信息。
直到2015年，人类才首次直接探测到引力波，这一发现不仅证实了广义相对论的预言，也开启了天文学的一个全新领域——引力波天文学。
引力波的产生引力波主要产生于极端的宇宙事件，如黑洞或中子星的碰撞、超新星爆炸等。
当这些大质量对象发生剧烈变动时，它们会扰动周围的时空结构，产生向外扩散的引力波。
这些波动像水中的涟漪一样，以波的形式传播至遥远的地方。
探测技术为了探测这些微弱的波动，科学家建造了极其精密的仪器，如LIGO（激光干涉仪重力波天文台）和Virgo等。
这些探测器利用激光干涉技术，通过测量非常长的距离上激光路径的长度变化来探测引力波。
当引力波通过时，它会轻微地改变空间本身的尺寸，这种变化虽然极其微小，但通过高精度的仪器可以检测出来。
历史突破2015年9月14日，LIGO首次探测到了引力波，这次事件是由13.6亿年前两个黑洞合并引起的。
这一发现不仅证明了引力波的存在，还揭示了黑洞合并的直接证据。
此后，多次引力波事件的成功探测为研究宇宙早期状态、黑洞性质、中子星结构等提供了宝贵的数据。
科学意义引力波探测的科学意义巨大。
首先，它为我们提供了一个全新的观测宇宙的方式，使得我们可以“听到”宇宙的声音。
其次，引力波探测可以帮助我们验证和完善物理理论，尤其是对广义相对论的理解。
最后，通过分析引力波信号，我们可以学习到关于宇宙极端条件下物质的状态和行为，这对于理解宇宙的基本规律至关重要。
未来展望随着技术的进步和更多探测器的建设，未来的引力波探测将更加灵敏和精确。
这将使我们能够探测到更遥远的宇宙事件，甚至可能探测到宇宙大爆炸产生的原始引力波。
此外，结合电磁波和其他形式的观测，引力波天文学有望揭示更多宇宙的秘密，加深我们对宇宙起源和演化的理解。
总之，引力波探测不仅是现代物理学和天文学的重大突破，也是人类探索宇宙奥秘的重要工具。
ligo原理
ligo原理
LIGO原理是基于激光干涉仪的技术原理，用于探测引力波。
该原理的核心思想是利用干涉仪的特性来测量光程差的变化，进而探测到引力波信号。
在LIGO实验中，两条垂直的光束被分别发射到两条相互垂直
的臂上。
当光束经过准直镜被分成两束后，分别沿两条相互垂直的臂行进，并被反射回来。
当两束光再次到达准直镜时，会重新合并，形成干涉图样。
当引力波通过时，它会引起空间的扭曲，导致臂长的微小变化。
这使得其中一条光程比另一条发生微小的变化，从而导致干涉图样发生改变。
通过观察干涉图样的变化，可以测量光程差的变化。
利用干涉仪的干涉特性，可以非常精确地测量引力波信号的存在和性质。
这种测量方法允许我们探测到非常微小的光程差变化，从而探测到非常微弱的引力波信号。
为了增强灵敏度，LIGO将光程差放大了很多次，利用共振器
的特性使得干涉图样变化更明显。
此外，还采用了多种技术手段来抑制噪音，以确保测量的精度。
总的来说，LIGO原理是基于激光干涉仪的技术原理，通过测
量光程差的变化来探测引力波信号。
这一技术的发展为引力波研究提供了重要的工具，也是物理学领域的一大突破。
ligo原理
ligo原理LIGO原理解析LIGO是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 的缩写，即激光干涉重力波探测器。
它是一个由美国国家科学基金会（NSF）以及一些世界各地的伙伴组成的联合体所建设的探测器。
被认为是重力波探测的里程碑，LIGO探测器的启动是一个突破性的事件，它可能会带来一个完全新的物理研究领域。
重力波是由于重力而产生的空间扭曲，在爱因斯坦的广义相对论中有所描述。
LIGO最早的主要目标就是要探测这种弱的重力波。
LIGO探测器是利用激光干涉技术来寻找这种波的存在。
LIGO探测器建立在激光干涉仪的基础上。
激光干涉仪是一种用来测量光波相对位移的仪器。
LIGO在对称的两个方向上装有两个四公里长的发射/接受器。
当一个重力波通过LIGO时，它会在检测器中引起空间的扭曲而造成两个发射器之间的距离变化。
当这个波通过时，两个激光束的时间到达差别和相位的变化都会被探测到。
这个差别很小，小到相当于一个原子核的直径。
但是，LIGO的设计允许其对这种微弱的信号进行高精度的测量。
LIGO的主要组成部分LIGO探测器是由四个层次构成的：外部，伪装，台面和光学隔离。
每个层次都有特殊设计，用于消除或减小对信号的干扰。
外部：LIGO探测器被建立在一组反射型激光干涉仪所形成的L形配置中，每个臂的长度达到4公里。
从外部来看，整个探测器是被隔离的，并由金属板、混凝土、岩土等填充物组成。
伪装：通过将探测器的直接环境保持在恒定温度、湿度和背景噪声之下，以减少外部信号的干扰。
这样可以使精度更高。
台面：LIGO探测器在台面内防止干扰，以确保有效的信号测量。
同时，控制台面的水平度和垂直度、温度和震动。
光学隔离器：耦合光学器件具有的特性，即任何振动、湿度或气氛的变化都会影响光路的传播。
为此，LIGO探测器在光学器件之间加了至少两个反射更换透镜、镜子和其他光学元件。
它们之间的距离被调整得足够远，这样即便看似微小的振动和温度变化，也能被探测器采取相应的措施，以纠正它们有可能引起的光程差。
LIGO是怎么精准区分振动源的？
LIGO是怎么精准区分振动源的？先来简单了解一下LIGO探测引力波的原理。
LIGO利用光的干涉原理来探测引力波，本质上可以说它是一台高精度的迈克尔逊干涉仪。
当年迈克尔逊干涉仪的测试结果证实了以太不存在以及光速不变性，这为狭义相对论的问世奠定了重要的基础，由此才有可能出现更为后来的广义相对论。
在LIGO中，激光通过分光器分成两束光，分别沿着两条干涉臂行进，然后被反射回来。
两束光再次经由分光器汇集，最终来到接收器上。
控制好两条干涉臂的长度，可以使到达接收器的两束光刚好相消干涉。
如果引力波经过干涉臂，其中有条会被拉伸，有条会被压缩，接收器上就会产生光干涉信号，这样可以得知引力波经过。
另外，LIGO干涉臂的长度为4公里，但为了检测出仅有质子直径千分之一的长度变化，理论上干涉臂的长度要达到750公里。
因此，在实际操作中，两束光在干涉之前会被来回反射，使得最终光的行程达到了1600公里。
上面讲了这些就是为了说明一下LIGO对振动的响应极其敏感，所以必须要去掉除引力波之外的任何振动。
对此，LIGO有两套系统可以实现隔振功能——主动阻尼和被动阻尼隔振系统。
首先是主动阻尼隔振系统。
地震、人类在地面上的生产和生活都会产生一些振动，LIGO中配备了专门的传感器，可以探测这些振动频率。
然后，通过计算机算出相反的振动来产生抵消的效果。
Credit: LIGO Lab/Caltech其次是被动阻尼隔振系统。
LIGO使用的镜子悬挂在一种4阶钟摆系统上，由直径0.4毫米的熔融硅氧玻璃纤维连接在一起，这种隔振系统能够有效吸收各种振动。
另一方面，根据广义相对论，通过计算机可以精确模拟出不同天体合并所产生的引力波波形。
然后，再与接收到的引力波波形进行对比，这样就能确定是由什么天体合并而发出的。
在确定产生引力波的天体之后，通过广义相对论就能知道引力波在被释放出来时的强度有多高，再结合接收到的引力波强度，就能确定引力波源距离我们有多远。
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LIGO尖端技术
激光器
LIGO用于测量的激光器是史 上在该波段最稳定的激光器 (δP/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。
? 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。
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。
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，
事件类型
双星系统
黑洞形成前
高速旋转的中子星（脉冲星）、 致密天体被黑洞俘获
黑洞合并、大质量恒星遗骸合并
超新星爆发(迄今为止人类观察到 的最强引力波爆发)
到达地球的引力波无量纲振幅h 10^-34 10^-31
10^-27~10^-26
10^-21~10^-20 10^-16~10^-17
引力波频率极低；
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。
引力波探测难点
引力波的振幅极小
• 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ΔL=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。
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。
LIGO尖端技术
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引力波 测量原理
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)
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。
引力波天 近似平直 线附近的 的空间的 度规张量 度轨张量
引力波 引起的 度规张 量的扰
动
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(¹h+ = 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 Δt 与引力波振幅成 正比: Δt =L’h+/c
将大部分空气吸出管道。 Tips：在非真空环境下，分子、空气流
管道被加热到150℃-
和灰尘将会以如下方式影响系统的精 度：
170℃并保持30天，以 1、降低反射镜镜面的质量，使反射光斑
排除剩余的空气。
质量变差。
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。
2、使激光在传输中发生折射，使光束偏 离预定光路。
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。
LIGO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。
“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。
LIGO尖端技术
真空技术
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)。
用类似于小型喷气发动
机的涡轮泵产生吸力，
LIGO简介
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。
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。
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。
LIGO尖端技术
隔震技术 -主动隔震
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。
LIGO尖端技术
隔震技术-被动隔震
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。
• 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。