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激光干涉引力波天文台（美国建造的引力波探测设备）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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激光干涉引力波天文台

美国建造的引力波探测设备

激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写为LIGO）是美国分别在路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德建造的两个引力波探测器。

2018年12月3日，Advanced LIGO发现迄今最大黑洞合并事件，距地球90亿光年。

基本信息

中文名	激光干涉引力波天文台
外文名	laser interferometer gravitational wave observatory
地点	路易斯安那州、华盛顿州
用途	探测引力波
简称	LIGO

建造背景

天文台

引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波都很低，如地球围绕太阳运行时，发出的引力波功率仅为200瓦。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但由于波源超远距离，引力波传播到地球时变得非常微弱。因此需要超高灵敏度的仪器才有可能对引力波进行探测。

探测引力波意义重大，从科学意义上看，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。

历史沿革

20世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯（JosephWeber）试图用谐振原理探测引力波，他建造了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了科学界的轰动，但是后来的重复实验都一无所获。

后来世界各国又陆续建造了一些棒状探测器，但是效果并不理想。

20世纪70年代，加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯（RainerWeiss）等人开始考虑使用激光干涉方法探测引力波，其原理类似于迈克尔逊干涉仪。但引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高，要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化，相当于质子直径的千分之一才有可能。直到20世纪90年代，如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

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“激光干涉引力波天文台”（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，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月，增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。但未能探测到引力波存在的可靠证据。

2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上线，理论上，该天文台可以探测到3亿光年远的引力波事件。但科学家认为要发现信号强大的引力波还需要更远、更灵敏的探测器，预计在2017年可以具备对5亿光年外引力波的检测能力。有10多个国家的超过一千名科研人员参与了该设备的运作。

2016年2月11日，加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员当天在华盛顿举行记者会，他们探测到引力波的存在。

2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

2018年12月3日，据物理学家组织网报道，一个国际科学家团队通过分析高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）获得的观测数据，发现了迄今最大的黑洞合并事件和另外三起黑洞合并事件产生的引力波。最大黑洞合并成了一个约为太阳80倍大小的新黑洞，也是迄今距离地球最远的黑洞合并。

2019年8月14日下午5点10分39秒，美国和意大利的三台巨型探测器探测到了一次奇异事件，分析表明，这显然是由一对黑洞和中子星在约9亿光年之外相互运动并合产生的一束引力波脉冲。报道指出，此次新发现由位于美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和位于意大利的“室女座”（Virgo）天文台共同完成。

探测原理

天文台

引力波探测器原理与迈克耳逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的原理差不多，主要部分是两个互相垂直的长臂，每个臂长4000米，臂的末端悬挂着反射镜，管道采用不锈钢制成，直径1.2米，内部真空度为10^-12大气压。在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，激光束在臂中来回反射大约50次，使等效臂长大大增加，这样就会形成干涉条纹，如果有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

这好比是池塘中的水波。将漂浮物放置在水面上，当有波浪经过，物体便会在水面上沉浮不定。LIGO安置的镜子就如漂浮在引力波中的悬浮物。通过在干涉臂之间往返的激光，探测仪会将镜子间距离的轻微变化记录下来。

不过由于可能的干扰太多，为了排除一些干扰因素，减少不确定性的误差，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。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。

激光干涉引力波天文台的灵敏度是空前的，但科学家也不十分肯定能否探测到引力波，可以肯定的引力波在宇宙中是存在的，这需要宇宙级的碰撞事件，但如此事件较为罕见，在银河系内平均每1万年会发生一次。

组成结构

LIGO由两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型，它们分别位于相距3000千米的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford。每个臂由直径为1.2米的真空钢管组成。

在光学方面，它用到高功率的连续稳定激光，加工极为精细的低吸收镜子以及FP腔和功率循环腔。

在机械方面，它用到被动阻尼和主动阻尼的隔震技术以及真空技术。在信息技术方面举一个例子，它于2015年秋天的运算量相当于一个四核电脑运算一千年。上面只罗列了LIGO使用的主要技术特点。

除此之外，LIGO的研究团队还在不断地想办法对仪器进行升级。

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