引力波探测和高精度测量 王海波 北京师范大学物理系

主要内容 何为引力波 为何测量引力波 引力波探测器 激光干涉引力波探测器 北师大与引力波测量

何为引力波？ 2016年2月，美国LIGO (激光干涉引力波天文台)项目科学家宣布成功探测到引力波，成为21世纪以来最重要的科学发现之一。

何为引力波？ 引力？ 牛顿观点：引力是物质之间的一种相互作用力。

引力波 引力 爱因斯坦观点：引力并不是力，是在物质质量影响下的时空几何弯曲； 牛顿力学：有质量物体之间的引力作用是立即发生的。 牛顿力学与相对论力学另一个差别： 牛顿力学：有质量物体之间的引力作用是立即发生的。 相对论力学：引力作用的传播速度为光速，相当于 引力波

引力的作用以波动的形式传播，即引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论语言中的时空涟漪。

为何测量引力波？ 验证相对论引力理论。 目前，人类观察和认识宇宙的 手段是通过电磁波（可见光、X射线、射电波、微波）。 引力波的发现将开启一个新的宇宙观测窗口，必将为人类观测天体、探索宇宙做出巨大贡献。 引力波可以在宇宙空间不带任何损耗的永远传下去。只有碰到物质，才可以被吸收一小部分。

研究黑洞的物理性质 揭示暗物质演化特征 破解中子星物态方程 探索宇宙起源的奥秘

引力波测量 1，Weber 共振棒实验（20 世纪60 年代开 始） 缺点：共振频率约为2 000 Hz； 频带很窄；灵敏度不高； 2，激光干涉引力波探测器LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 优点：测量频段宽（10Hz~1KHz），灵敏度高 美国的LIGO (Abramovici et al. 1992，Abbott et al.2009)、 意大利法国合作的VIRGO (Bradaschia et al. 1990)、 德英合作的GEO600 (Willke etal. 2002)、 日本的TAMA300 (Ando et al.2001)

3，LISA(Laser Interferometer Space Antenna) 空间激光干涉引力波探测项目 边长上百万千米 0.01mHz-1Hz

引力波测量的困难： 两个重达十万太阳质量的黑洞组成的绕转系统，若引力波频率1mHz ，释放的引力波强度h为10-19的量级。 引力波强度h=10-21的引力波在L=4km的两个物体间引起的距离变化为10-19 如果想看到引力波，我们需要在4公里的长度上找到原子核半径万分之一的空间变化。这。。。开玩笑嘛？

激光干涉引力波探测器（LIGO） LIGO其实就是一个大型的迈克尔逊干涉仪 关键点： 1）法布里－珀罗干涉腔； 2）高强度激光； 3）减震装置； 4 ）真空系统； 5）数据处理系统。

LIGO结构介绍 超级长（4km）的法布里－珀罗干涉腔，获得了等效于1600千米长的光程。 把入射的200瓦激光，增大了3750倍，变成75万瓦的高强度激光

FP腔中 800kW~1MW 端镜34cm, 40kG重。

经典波 + 量子探测器 引力波探测器测量原子大小的十亿分之一的微小变化。 引力波是经典波

小位移探测的标准量子极限(SQL) 质量要大 臂长要长 海森堡测不准关系： 测量时间： 有： 设能够测量的最小位移为： 小位移测量的标准量子极限： 质量要大 臂长要长 如：激光干涉引力波探测仪中

激光干涉引力波探测仪的散粒噪声极限（SN） 干涉仪输出口的平均光子数： 位移测量的散粒噪声极限： 时给出最高的灵敏度： 如：光强为1kW时， 光强要强

辐射压噪声 由于激光散粒噪声造成的辐射压噪声： 辐射压造成的位移起伏（积分时间 ，质量为m）： 辐射压噪声极限： 当辐射压噪声等于散粒噪声时，可以给出最佳的激光功率。

激光干涉引力波探测仪的经典噪声 由于干涉测量仪运行在低频区域，地基的各种噪声都会影响测量的精度。 震动噪声： 地球潮汐： 热噪声： 其他还有空气密度起伏噪声等的影响。

减震系统

真空系统 体积10000立方米 真空10-9 Torr 需要40天

海量数据 1，LIGO系统在探测模式下，每天产生1000Gb数据。 2，去年LIGO探测到的信号只持续了0.4秒多一点。 两个站点相距2000英里左右，两个站收到信号的时间相差了6.9毫秒。

第一次直接探测引力波 LIGO Detected Gravitational Waves from Black Holes On September 14, 2015 at 5:51 a.m. Eastern Daylight Time (09:51 UTC), the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, USA both measured ripples in the fabric of spacetime – gravitational waves – arriving at the Earth from a cataclysmic event in the distant universe. The new Advanced LIGO detectors had just been brought into operation for their first observing run when the very clear and strong signal was captured. 第一次直接探测引力波

LIGO Does It Again: A Second Robust Binary Black Hole Coalescence Observed News Release • June 15, 2016 On December 26, 2015, LIGO's detectors caught a second robust signal from two black holes in their final orbits and then their coalescence into a single black hole. LIGO 再一次探测到引力波

LIGO's First Observing Run Image credit: LIGO This illustration shows the dates for two confirmed gravitational-wave detections by LIGO; and one candidate detection, which was too weak to unambiguously confirm The three events are GW150914 (Sept. 14, 2015), LVT151012 (Oct. 12, 2015), and GW151226 (Dec. 26, 2015).

北师大与引力波测量 主持FAST （五百米口径球面射电望远镜） 973宇宙学子项目 拥有获得国家外专局审批的引力波研究高端优秀外专团队 IPTA（国际脉冲星计时协作组织）中国联络人之一 KAGRA（日本引力波探测器）中方合作中心单位 《引力波天文学》列入重点交叉学科建设项目布局领域 拥有获得国家外专局审批的引力波研究高端优秀外专团队 国际最精确数值相对论代码协作组织成员

研究领域 引力波数值分析与模拟 未来引力波探测器实验技术 天体引力波源研究 引力透镜、暗物质与暗能量 开发利用传统天文手段探测引力波

国际上第一次发现引力波中北师大的影子 为LSC（LIGO科学合作组织）输送优秀毕业生（5名成为成员）。 在发现引力波的文章合作者中，范锡龙、朱兴江、明镜毕业于北京师范大学。

总结 引力波测量 何为引力波 为何探测引力波 引力波探测 LIGO探测器 北师大