Rainer Weiss：引力波探测的50年

<正>作为构思和实现历史上最大实验之一的核心的实验物理学家,诺贝尔奖获得者Rainer Weiss通往成功的路径是不同寻常的。2015年,在爱因斯坦提出广义相对论一百年后,位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,证实了广义相对论的最后一个预言。2017年,Rainer Weiss由于对LIGO探测器与引力波探测的决定性贡献,与Barry Barish和Kip Thorne共享了诺贝尔物理学奖。     

从2017诺贝尔物理学奖展望新加坡未来科学的发展方向

<正>2017年诺贝尔物理学奖颁给了3位在引力波领域作出突出贡献的美国物理学家,他们分别为麻省理工学院雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院基普·索恩(Kip S.Thorne)和巴里·巴里什(Barry C.Barish)。引力波是一百年前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,被视为宇宙中的"时空涟漪"。在广义相对论中,引力产生的效果又可以用时空扭曲解释。广义相对论场方程,是一个和时空度规有关的二阶非线性偏微分方程。探测到的引力波是通过光的干涉探测器感知空间被扭曲的微小变化。空间扭曲引发光的干涉条纹发生轻微抖动。引力波可能是宇宙公认的传播媒介,探     

引力波来了

正相距3000 km的两台激光干涉仪,几乎同时听到了远方的召唤——激情共舞的两个黑洞,终于胜利会师,唱响了嘹亮的战歌。2016年2月11日,激光干涉式引力波观测项目(LIGO)负责人宣布,"我们检测到了引力波。我们成功了!"四十多年艰苦卓绝的研究工作,终于取得了辉煌的成就。上世纪60年代,麻省理工学院的Rainer Weiss提出,可以用干涉仪测量引力波。1972年,Weiss在一份内部报告中,讨论了长度为几千米的激光干涉仪,列出了所有可     

《中国光学》“空间引力波探测”专题征稿

正2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在"LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献"。2017年10月16日,美国LIGO和意大利室处女座引力波天文台(Virgo)联合宣布于2017年8月17日首次     

用电磁方法探测高频引力波

 一、高频引力波不能使用传统方法进行探测根据广义相对论的预言,利用引力波的潮汐效应,可以对引力波进行探测。最早的引力波探测方法是共振质量法,其典型装置除韦伯棒(WeberBar)外,还有ALLEGRO(美国)、EXPLORER(意大利)等。它们的共同特点是将棒状或球状质量作为引力波的耦合天线,如果天线接收到了引力波信号,则天线上的不同部分之间将发生伸缩效应,利用声电转换(比如压电效应)可以将机械振动转换成电信号,测量电信号就可以确认是否探测到了引力波信号;这一类引力波探测装置对引力波共振的频率一般为102104Hz.     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

<正>引力波是爱因斯坦"广义相对论"的重要预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年,爱因斯坦就根据弱场近似,预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现,前仆后继,科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱,引力波探测器的灵敏度太低,引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波     

引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口

 引力波是爱因斯坦"广义相对论"最重要的预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学,由于引力辐射独特的物理机制和特性,使得引力波天文学研究的范围更广泛﹑更全面,物理分析更精确﹑更深刻。     

探索的历程——引力波的发现

正2016年11日是个值得纪念的日子,这一天美国科学家对外宣布探测到引力波,这是人类首次直接探测到了引力波,同时也验证了已有百年的爱因斯坦广义相对论预言的引力波的存在。这次成果是分别由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到的。下面就让我们回顾一下围绕引力波发生的那些事……图1,1916年6月,爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。根据广义相对论,引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。爱因斯坦认为时空会产生涟漪并产生"引力波"并以光     

激光干涉引力波天文台

<正>激光干涉引力波天文台(LIGO)由分别在华盛顿州的汉弗德(Hanford)和路易斯安纳州的利弗斯通(Livingston)的两台孪生引力波探测器组成,它们彼此相距3000千米。当两个探测器同时探测到信号,才有可能是引力波。该天文台建于1999年,2002年开始运行,2015年9月14日探测到信号。     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并     

封面故事

<正>北京时间2017年10月16日晚,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和处女座引力波探测器(Virgo)合作组织联合召开发布会,宣布再次探测到时空的涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号GW170817。这是人类首次直接探测到两颗中子星并合产生的引力波事件,发生在1.3亿光年外的编号为NGC 4993的星系中。此次引力波事件具有极为重要的意义,引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不     

时空的乐章——引力波百年漫谈(一)

<正>一、称不上源头的源头2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)宣布观测到了引力波。这是在经过近半个世纪的不成功尝试之后,人类首次观测到了这种曾被爱因斯坦(A.Einstein)预言过的现象。LIGO观测到引力波的消息激起了媒体和公众的极大兴趣,甚至一度致使LIGO网站因访客过多而瘫痪。LIGO观测到的引力波来自一对黑洞的合并,这对黑洞的质量均     

引力波:时空的涟漪,天球的乐音

激光干涉引力波天文台(LIGO)的引力波观测打开了认识宇宙的新窗口。文章从引力场方程的线性化开始,介绍了引力波的弱场近似解、四极辐射、波源和频率以及黑洞结合的模拟波形。最后借Kip Thorne关于引力波的预言和猜想,呈现引力波宇宙学的前景。     

大质量镜面感知光子力的起伏

要察觉引力波的存在, Virgo (欧洲室女座天文台)和LIGO(美国激光干涉引力波天文台)需要能检测到激光干涉臂的微小改变——小到只有质子直径的万分之一.研究人员已经通过有效降低"技术"噪声(比如来自地震的扰动和电子设备的干扰),实现了如此灵敏的探测.此时探测器的噪声已经接近量子散粒噪声这个无法避免的基本限制.现在,...     

引力波多信息天文学

 引力波是广义相对论所预言的"时空的涟漪"--时空本身以光速传播的扰动。所有非球对称分布的物体的运动都可以产生引力波。     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

通向天基引力波探测器

正来自LISA探路者任务的初步结果表明,对于处于自由落体状态的两个测试立方体,它们之间的相对加速的噪声很小,满足天基引力波探测的要求。2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到由两个黑洞合并引发的引力波。这一结果的公布使很多物理和天文学领域的科学家感到震惊和兴奋。当所有的眼光转向LIGO时,LISA探路者(LPF)正静悄悄但信心十足地为引力波天文学的下一场革命铺平道路。LPF是激光干涉空     

光学相干量子理论及激光精密光谱学--2005年诺贝尔物理学奖简介

今年的诺贝尔物理学奖授予三名光学领域的科学家.其中美国科学家罗伊·格鲁伯(Roy Glauber)因"对光相干量子理论的贡献"而获得奖金的一半;美国科学家约翰·霍尔(John Hall)与德国科学家特奥多尔·汉斯(Theodor Hansch)因"基于激光精密光谱学发展的的贡献"分享了奖金的另一半.     

一种新的宇宙信使

正激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座引力波探测器(Virgo)最近对两颗并合中子星的引力波进行了第一次观测,连同来自全球多台望远镜和空间卫星的数据,开启了多信使天文学的新纪元。Imre Bartos描述了这个划时代的时刻,这是数十年研究的辉煌成果,也将塑造观测天文学的未来。     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。