引力波与引力波探测实验
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叼 为 Mn o si i w k 空间的平直 的背景度规 , 代 表此空 k
知
( 2 )
1 1 广义相对论与引力波 . 1 1 年爱因斯坦发表 了广义相对论 , 96 并在该理论 的基础上预言了引力波的存在 。引力辐射问题一直是 广义相对论的中心问题之一 , 引力辐射 的理论在广义 相对论和物理学的微观前沿之间搭起 了一座重要的桥 梁 。到 目 前为止 , 广义相对论 的一些重大预言都相继 被实验证实 , 例如水星近 日点的进动、 光线在引力场中 的弯曲、 光谱线在引力场中的红移 , 以及 由此而延伸的 关于雷达回波的延迟等 。这些成果又进一步推进了广 义相对论在天文观测、 相对论天体物理、 宇宙学甚至高 能物理 、 粒子物理和广义相对论 的交叉领域等方面 的 应用。此外 , 广义相对论还预言 了黑洞的存在 , 目前对
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收稿 日期 :0 1— 1—1 21 0 9
}
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为时空 的度规 张量 , 是 物质 的动量 能量张
量 , K , 为相对论引力 常数 , 是 四维 时空 中的 R= T , c
・
1 ・ 0
上 式 的 A+ A 和 为 每 一 偏 振 态 的 幅度 , 为 引 力 波 的 c
图4
激 光 干 涉 引 力 波 探 测 器 原 理 图
= =F+ ++Fx h h
() 9
此处系数 F 和 F 依赖手引力波源的方向和干涉 + 仪的方位 , 因子为作用于探测器上的引力波的应变。 h 了 l 万倍 , 以灵敏度也提高了许多倍 , o e 所 主要用来测 因为基于激光干涉式的引力波探测器是通过测量 量低频引力波 , 也可 以测量太 阳的振荡; 其缺点是太 干涉臂的光程差或相位变化来进行 的, 又光程差正 比 昂贵 。
O
一 一
.
为 , br Wee 得到的信号并非来 自宇宙的引力波, 而仅是 噪声而 已。需要强调 的是 , br Wee 的工作却成 了世界 各地开展引力波探测工作 的先导 。
O
共振质量探测器的缺陷:1 这种天线的品质 因数 () 为 4O 10 , O 一 00所以共振频带很窄, 而非共振频段的引力 波反应弱, 等待式的探测需要 昂贵的实验维持费用 ;2 () 共振天线吸收效率受到限制, 在共振天线 中声波与引力 波共振 , 共振棒长为声波的半波长 , 又因光速( 引力波速 度) 远大于声速 , 共振质量天线的吸收截面因此被大大 降低 ;3 Wee 的检测器工作在室温下, 自热运动的 ( ) br 来 噪声会干扰实验结果 。目前 全世界大多采用高 Q值 低 内耗铝合金在超低温 (0 2 ) 1 IK 下工作 , 工作 的引力 波频段为 一 00 z , 10 H 段 灵敏度为 h一 × 0 。 2 1 2 2 激光干涉引力波探测器 . 因为共振质量天线的缺陷 , 7 0年代中期开始试制 激光干涉引力波天线 。激光干涉引力波探测器的原理 与 M ce o 干涉仪相似 , i ln hs 但实际实验 中采用 了两个相 互垂直的 Fb — e t ar Pr 激光腔 。激光干涉引力波探测 y o
的研究可能 比其它预言产生更 为巨大而深远 的影响, 甚至大大促进人类文明的进程。而 目 除了 P R 9 3 前 S 11 +6 l 双星引力辐射 阻尼 的观测提供 了引力波存在 的 间接证据外 ( 该成果 获得 19 9 3年诺 贝尔物理学奖 ) , 至今还没有直接探测到引力波 。
摘 要: 简单介 绍 了引力波理论 , 分析 了各 种引力波探 测器的基本原理 , 同时对不 同的 引力波探测 器的特 点和缺 陷进行
了总结分析。
关 键 词 : 义 相 对 论 ;引 力 波 ; 力波 探 测 器 广 引
中图分类号 :4 O1
文献标识码 : A
文章编号 :6434 2 1 )2 31 -3 17 -4 X{ 0 1 0 40 00
传播速度( 光速) 。 引力波场力线如图 1 所示 , 1 a 表示“ 偏振 图 () +” 态的场力线 , 1 b 中场力线相对于 “+ 偏 振态旋 图 () ” 转了 4 。它表示 “ ” 5, × 偏振态的场力线 。
Z
此振动信号并被后续放大器所放 大, br Wee 的天线是 在 室温 下 、 真空 中工 作 的 。
.
O
I
,
,
压电陶 瓷换能器
图 3 共 振 质 量 引 力
在引力波场中的物体将 受引力波的作用而产生 运动 , 每一种引力波场穿过物体 时将施加潮汐力于此 物体 。这些随时间变化 的潮汐力能使一个弹性物体变 形或能改变 自由空间的质点间的距离。引力波产生一 个 由检验质量的位移矢量 所决定的有效 力场 , 这种力 场指导设计的引力波探测器 以不同的方式与引力波相 耦合 , 引力波探测器将可能探测到线性的应变、 正交的 应变或切向的应变。如图 2所示 由八个粒子组成的一 个 圆环 , 假设粒子环所处的平面与引力波传播方向垂 直, 粒子环将被潮汐力扭 曲 5。 . ]
黑洞的验证工作进展缓慢。而引力波至今没有直接探 测到 , 除了对脉冲双星 P R 93+ 6辐射阻尼提供了 S 11 1 引力波存在 的一个间接证据外 , 引力波 的直接检验可 以说 还没有 获得 真正 的突 破 。 12 引力 波理论 . 爱因斯坦引力场方程 ]
一 = 一 K
普 遍 情况 下 引力 场 方程 的弱场 线 性近 似式 为 口 + A + ) 2( =一 K , 2 在静态弱近似下令 A = , () 0 则 2 式简化为 口 =一 , 2 c () 3
等式( ) 3 的解为
幽, () 4
对平面引力波 , 真空解为口 = , 0 即有 ( 一 = o () 5
量间的相对运动即可给出引力波的信息 , 实验原理如
图 4所示 。
若 以某一极 化方 向平行于干涉臂 的引力波垂直 入射到干涉仪所在的平 面时 , 干涉臂的其 中一个将被 拉长 , 另一个将被压缩 , 所以两干涉臂的光程的相对变
化即光程差为 △L= 2 厶 , L 一 对应的相位变化为△ =
考虑沿 z 轴方向传播 的引力波 , 方程( ) 5 有波动形 式的解 , 沿 轴方 向传播 的引力波时空度规扰动不为 零的振幅分量仅为
( :9 a , )
c 6
它是 对称且 无 迹 的 , 足 h 满 = 一h h =h 即引 力 , ,
波为横波 , 有两种偏振态。 考虑等式 ( ) 5 的一个正弦平面波解表示为 J h = =一 = eA e 蛔‘ ’ + h h R { + 一 ‘ } 。 。 () 7
16 年 Wee 公 布 了他们 研究 小组 的实验数 99 br 据, 并宣称探测到了振幅达 h一 0 的在 K z 1 H 频带的 引力波 。但 Wee 的结果始终未能被重复验证 , br 后来 其它一些精度远高于 Wee 棒 的实验小组均未发现 br Wee 宣称的引力波信号 , br 而且还 由于找不到合适 的 理论模型来 解释 Wee 的结 果 , br 因而科 学家一 般认
作者简介 : 国强(99 , , 北孝 感人 , , 士 , 究方向为 引力 实 与精 密测量 。 冯 17 一)男 湖 讲师 硕 研 验
引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广 义相对论的四大预言之一 , 引力波 的研究与探测将 打 开一个全新的天文学和物 理学窗 口, 它将使人类有可 能直接确定黑洞的存在 , 使人类首次了解超新星爆炸 过程中内核的变化 , 可以研究早期宇宙。总之引力波
共振质量探测器最早是美 国马里兰大学 的 Wee br
器主要由两组反射镜 ( 干涉臂 ) 分束镜、 、 激光器与光 电二极管 ( 接收装置 ) 等组成 的, 这里 的反射镜一般称
为检验质量 , 实验 中两组反射镜都要被悬挂起来。当 引力波经过探测 器时 , 将引起两垂 直干涉臂 ( 即检验 质量间) 产生不 同的距离变化 , 从而改变两束干涉光 的光程差 , 可通过干涉条纹移动反映出来 , 因而检验质
21 0 1年 2月
湖北第二师范学院学报
Ju nlo ] iest fE u ain o r a fHu ̄i Unvri o d c t y o
F b2 1 e . 01 V0 . 8 No 2 12 .
第2 8卷第 2期
引力波与引力波探 测实验
冯 国 强
( 北第二 师 范 学院 物 理与 电子信 息 学院 , 汉 400 ) 湖 武 3 25
对光程差是正比于两种偏振化的引力波 的线性组合 , 可表 示 如下
・
1 ・ 1
23 激光 干涉 空 间引力 波天 线 . 考 虑到地 面探 测 器 中遇 到 的地 面 振动 噪 声 、 电磁
亡 ] 检验质罱
激 光
— —— — 1
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一 .
分 镜
检 验 质
栏 质 节
干扰以及地球本身引力场和引力梯度的影响。并希望 能够探测宇宙中可能存在的大量 的低频引力波( 其频 率成份在 1 z H 以下 )美 国航天局 ( A A 和欧洲空间 , N S) 局 (S ) E A 计划在 2 1 年发射三颗携带激光 的卫星 , 01 这 些 卫 星将 构 成一个 边 长 为 50万 公里 ( 当于地 月 距 0 相 离 1 以上 ) 0倍 的等 边三 角形 , 测频 带 主要 1 -H 探 0 4 z一 1z H 范围的低频引力波。这些卫星组成一个等边三角 形, 其边长为 50万公里 , 0 每条边两端各有一个人造行 星, 每边用 Y G 钇铁石榴石) A( 激光联系。这样就形成 了一个空间干涉的天线 阵列 , 因此其灵敏度也将提高 许多倍 。 激光干涉空间引力波天线的特点是由于臂长增加
1 引力 波概述
Rci i 张量 。这里 只讨论引力波的传播 , c 当波在真空中 传播时, 有 = , 0 则真空 中的引力场方程 = , O 但 是由于爱因斯坦方程 的非线性 , 很难获得严格 的爱因
斯坦方程 的一 般 辐射 解 , 因此 , 般 都采 用 弱场 辐 一
射解 。 在弱引力场下 , 度规表示 为 间的微扰 ( 且 << )令 1,
O O < O 、
图 2 一 个周 期 内粒 子 环 受 引 力波 场作 用 的 扭 曲 情 况
2 引 力波探 测 实验
实验上探测 引力 波的先驱工作 是 Wee 于 16 br 90 开始的 , 7 1 0年后很多实验室都在进行引力波探测实 9 验, 至今为止还没有 哪个实验 室正式 宣布探测到 引力 辐射的符合信号 。R A H l . . u e和 J H T y r 17 s . . al 于 98 o 年宣布 了对脉 冲双星 P R 93+1 轨 道周期变化率 S 11 6 的结果 , 与广义相对论计算 的预言符合的非常好 , 间接 证 明了引力波的存在 ( al 9 ) 为此他们获得 了 T y r 94 , o1 19 年的诺贝尔物理奖。 93 引力波探测器按照引力波源分为脉冲波探测器、 连续波探测器。具体可分为共振质量探测器、 激光干 涉探测器以及其它原理的探测器。 2 1 共振质量引力波探测器 .
 ̄i/ , Z 采用 , 如图 3 所示。其接收天线是一根高 Q值 , 14 2r A 由此导致从分束镜输出中的干涉模式产生变 重 . 吨, 比较高的声速且有极低 的声学损耗的铝合金棒 , 化。光程差相对于干涉臂长为 A h , 有 L= L 一般情况下相
其轴与引力波的传播方向垂直 , 引力波引起棒的振动 , 并 以其共振频率维持其振动 。压电陶瓷换能器将检测
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( 2 )
1 1 广义相对论与引力波 . 1 1 年爱因斯坦发表 了广义相对论 , 96 并在该理论 的基础上预言了引力波的存在 。引力辐射问题一直是 广义相对论的中心问题之一 , 引力辐射 的理论在广义 相对论和物理学的微观前沿之间搭起 了一座重要的桥 梁 。到 目 前为止 , 广义相对论 的一些重大预言都相继 被实验证实 , 例如水星近 日点的进动、 光线在引力场中 的弯曲、 光谱线在引力场中的红移 , 以及 由此而延伸的 关于雷达回波的延迟等 。这些成果又进一步推进了广 义相对论在天文观测、 相对论天体物理、 宇宙学甚至高 能物理 、 粒子物理和广义相对论 的交叉领域等方面 的 应用。此外 , 广义相对论还预言 了黑洞的存在 , 目前对
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为时空 的度规 张量 , 是 物质 的动量 能量张
量 , K , 为相对论引力 常数 , 是 四维 时空 中的 R= T , c
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上 式 的 A+ A 和 为 每 一 偏 振 态 的 幅度 , 为 引 力 波 的 c
图4
激 光 干 涉 引 力 波 探 测 器 原 理 图
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此处系数 F 和 F 依赖手引力波源的方向和干涉 + 仪的方位 , 因子为作用于探测器上的引力波的应变。 h 了 l 万倍 , 以灵敏度也提高了许多倍 , o e 所 主要用来测 因为基于激光干涉式的引力波探测器是通过测量 量低频引力波 , 也可 以测量太 阳的振荡; 其缺点是太 干涉臂的光程差或相位变化来进行 的, 又光程差正 比 昂贵 。
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共振质量探测器的缺陷:1 这种天线的品质 因数 () 为 4O 10 , O 一 00所以共振频带很窄, 而非共振频段的引力 波反应弱, 等待式的探测需要 昂贵的实验维持费用 ;2 () 共振天线吸收效率受到限制, 在共振天线 中声波与引力 波共振 , 共振棒长为声波的半波长 , 又因光速( 引力波速 度) 远大于声速 , 共振质量天线的吸收截面因此被大大 降低 ;3 Wee 的检测器工作在室温下, 自热运动的 ( ) br 来 噪声会干扰实验结果 。目前 全世界大多采用高 Q值 低 内耗铝合金在超低温 (0 2 ) 1 IK 下工作 , 工作 的引力 波频段为 一 00 z , 10 H 段 灵敏度为 h一 × 0 。 2 1 2 2 激光干涉引力波探测器 . 因为共振质量天线的缺陷 , 7 0年代中期开始试制 激光干涉引力波天线 。激光干涉引力波探测器的原理 与 M ce o 干涉仪相似 , i ln hs 但实际实验 中采用 了两个相 互垂直的 Fb — e t ar Pr 激光腔 。激光干涉引力波探测 y o
的研究可能 比其它预言产生更 为巨大而深远 的影响, 甚至大大促进人类文明的进程。而 目 除了 P R 9 3 前 S 11 +6 l 双星引力辐射 阻尼 的观测提供 了引力波存在 的 间接证据外 ( 该成果 获得 19 9 3年诺 贝尔物理学奖 ) , 至今还没有直接探测到引力波 。
摘 要: 简单介 绍 了引力波理论 , 分析 了各 种引力波探 测器的基本原理 , 同时对不 同的 引力波探测 器的特 点和缺 陷进行
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关 键 词 : 义 相 对 论 ;引 力 波 ; 力波 探 测 器 广 引
中图分类号 :4 O1
文献标识码 : A
文章编号 :6434 2 1 )2 31 -3 17 -4 X{ 0 1 0 40 00
传播速度( 光速) 。 引力波场力线如图 1 所示 , 1 a 表示“ 偏振 图 () +” 态的场力线 , 1 b 中场力线相对于 “+ 偏 振态旋 图 () ” 转了 4 。它表示 “ ” 5, × 偏振态的场力线 。
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此振动信号并被后续放大器所放 大, br Wee 的天线是 在 室温 下 、 真空 中工 作 的 。
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图 3 共 振 质 量 引 力
在引力波场中的物体将 受引力波的作用而产生 运动 , 每一种引力波场穿过物体 时将施加潮汐力于此 物体 。这些随时间变化 的潮汐力能使一个弹性物体变 形或能改变 自由空间的质点间的距离。引力波产生一 个 由检验质量的位移矢量 所决定的有效 力场 , 这种力 场指导设计的引力波探测器 以不同的方式与引力波相 耦合 , 引力波探测器将可能探测到线性的应变、 正交的 应变或切向的应变。如图 2所示 由八个粒子组成的一 个 圆环 , 假设粒子环所处的平面与引力波传播方向垂 直, 粒子环将被潮汐力扭 曲 5。 . ]
黑洞的验证工作进展缓慢。而引力波至今没有直接探 测到 , 除了对脉冲双星 P R 93+ 6辐射阻尼提供了 S 11 1 引力波存在 的一个间接证据外 , 引力波 的直接检验可 以说 还没有 获得 真正 的突 破 。 12 引力 波理论 . 爱因斯坦引力场方程 ]
一 = 一 K
普 遍 情况 下 引力 场 方程 的弱场 线 性近 似式 为 口 + A + ) 2( =一 K , 2 在静态弱近似下令 A = , () 0 则 2 式简化为 口 =一 , 2 c () 3
等式( ) 3 的解为
幽, () 4
对平面引力波 , 真空解为口 = , 0 即有 ( 一 = o () 5
量间的相对运动即可给出引力波的信息 , 实验原理如
图 4所示 。
若 以某一极 化方 向平行于干涉臂 的引力波垂直 入射到干涉仪所在的平 面时 , 干涉臂的其 中一个将被 拉长 , 另一个将被压缩 , 所以两干涉臂的光程的相对变
化即光程差为 △L= 2 厶 , L 一 对应的相位变化为△ =
考虑沿 z 轴方向传播 的引力波 , 方程( ) 5 有波动形 式的解 , 沿 轴方 向传播 的引力波时空度规扰动不为 零的振幅分量仅为
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它是 对称且 无 迹 的 , 足 h 满 = 一h h =h 即引 力 , ,
波为横波 , 有两种偏振态。 考虑等式 ( ) 5 的一个正弦平面波解表示为 J h = =一 = eA e 蛔‘ ’ + h h R { + 一 ‘ } 。 。 () 7
16 年 Wee 公 布 了他们 研究 小组 的实验数 99 br 据, 并宣称探测到了振幅达 h一 0 的在 K z 1 H 频带的 引力波 。但 Wee 的结果始终未能被重复验证 , br 后来 其它一些精度远高于 Wee 棒 的实验小组均未发现 br Wee 宣称的引力波信号 , br 而且还 由于找不到合适 的 理论模型来 解释 Wee 的结 果 , br 因而科 学家一 般认
作者简介 : 国强(99 , , 北孝 感人 , , 士 , 究方向为 引力 实 与精 密测量 。 冯 17 一)男 湖 讲师 硕 研 验
引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广 义相对论的四大预言之一 , 引力波 的研究与探测将 打 开一个全新的天文学和物 理学窗 口, 它将使人类有可 能直接确定黑洞的存在 , 使人类首次了解超新星爆炸 过程中内核的变化 , 可以研究早期宇宙。总之引力波
共振质量探测器最早是美 国马里兰大学 的 Wee br
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为检验质量 , 实验 中两组反射镜都要被悬挂起来。当 引力波经过探测 器时 , 将引起两垂 直干涉臂 ( 即检验 质量间) 产生不 同的距离变化 , 从而改变两束干涉光 的光程差 , 可通过干涉条纹移动反映出来 , 因而检验质
21 0 1年 2月
湖北第二师范学院学报
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第2 8卷第 2期
引力波与引力波探 测实验
冯 国 强
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对光程差是正比于两种偏振化的引力波 的线性组合 , 可表 示 如下
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干扰以及地球本身引力场和引力梯度的影响。并希望 能够探测宇宙中可能存在的大量 的低频引力波( 其频 率成份在 1 z H 以下 )美 国航天局 ( A A 和欧洲空间 , N S) 局 (S ) E A 计划在 2 1 年发射三颗携带激光 的卫星 , 01 这 些 卫 星将 构 成一个 边 长 为 50万 公里 ( 当于地 月 距 0 相 离 1 以上 ) 0倍 的等 边三 角形 , 测频 带 主要 1 -H 探 0 4 z一 1z H 范围的低频引力波。这些卫星组成一个等边三角 形, 其边长为 50万公里 , 0 每条边两端各有一个人造行 星, 每边用 Y G 钇铁石榴石) A( 激光联系。这样就形成 了一个空间干涉的天线 阵列 , 因此其灵敏度也将提高 许多倍 。 激光干涉空间引力波天线的特点是由于臂长增加
1 引力 波概述
Rci i 张量 。这里 只讨论引力波的传播 , c 当波在真空中 传播时, 有 = , 0 则真空 中的引力场方程 = , O 但 是由于爱因斯坦方程 的非线性 , 很难获得严格 的爱因
斯坦方程 的一 般 辐射 解 , 因此 , 般 都采 用 弱场 辐 一
射解 。 在弱引力场下 , 度规表示 为 间的微扰 ( 且 << )令 1,
O O < O 、
图 2 一 个周 期 内粒 子 环 受 引 力波 场作 用 的 扭 曲 情 况
2 引 力波探 测 实验
实验上探测 引力 波的先驱工作 是 Wee 于 16 br 90 开始的 , 7 1 0年后很多实验室都在进行引力波探测实 9 验, 至今为止还没有 哪个实验 室正式 宣布探测到 引力 辐射的符合信号 。R A H l . . u e和 J H T y r 17 s . . al 于 98 o 年宣布 了对脉 冲双星 P R 93+1 轨 道周期变化率 S 11 6 的结果 , 与广义相对论计算 的预言符合的非常好 , 间接 证 明了引力波的存在 ( al 9 ) 为此他们获得 了 T y r 94 , o1 19 年的诺贝尔物理奖。 93 引力波探测器按照引力波源分为脉冲波探测器、 连续波探测器。具体可分为共振质量探测器、 激光干 涉探测器以及其它原理的探测器。 2 1 共振质量引力波探测器 .
 ̄i/ , Z 采用 , 如图 3 所示。其接收天线是一根高 Q值 , 14 2r A 由此导致从分束镜输出中的干涉模式产生变 重 . 吨, 比较高的声速且有极低 的声学损耗的铝合金棒 , 化。光程差相对于干涉臂长为 A h , 有 L= L 一般情况下相
其轴与引力波的传播方向垂直 , 引力波引起棒的振动 , 并 以其共振频率维持其振动 。压电陶瓷换能器将检测